DE3834003A1 - Verfahren zur wiederaufladung von batterien offener und verschlossener bauart sowie ladegeraet zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiederaufladung von Batterien offener und verschlossener Bauart sowie ein Ladegerät zur Durchführung des Verfahrens.

Bei Fahrzeugen von Fahrzeugparks, die nicht ständig im Einsatz sind, sondern häufig längere Stillstandszeiten aufweisen, besteht das Problem, daß durch Entladevorgänge die Fahrzeugbatterien entladen und hierdurch die Einsatz­ bereitschaft des betreffenden Fahrzeugs gefährdet ist. Aus diesem Grunde müssen bezüglich wiederaufladbarer Batterien zyklisch Wartungsmaßnahmen durchgeführt werden, die den Ladevorgang, Entladevorgang und erneuten Ladevorgang um­ fassen. Hierbei ist zu berücksichtigen, daß häufig tief­ entladende Batterien behandelt werden müssen. Alle moder­ nen Fahrzeuge, Kabinen und Geräte sind mit nicht abschalt­ baren Kleinverbrauchern ausgestattet, die den Batteriesatz auch dann belasten, wenn der Batteriehauptschalter ausge­ schaltet ist. Diese Kleinverbraucher können die Tiefentla­ dung eines Batteriesatzes innerhalb weniger Wochen bewir­ ken. Da Fahrzeuge üblicherweise nicht auf das Funktionie­ ren mit tiefentladenen Batterien ausgelegt sind, vielmehr einen zumindest teilgeladenen Batteriesatz zum Funktionie­ ren des elektrischen Bordnetzes benötigen, ist es grund­ sätzlich nicht möglich, die tiefentladenen Batterien eines Fahrzeugs selbst durch Triebwerklauf wieder aufzuladen. Tiefentladefestigkeit bedeutet nicht, daß diese Batterien unmittelbar nach dem Anlegen einer Spannung wieder Ladung aufnehmen. Sie brauchen Zeit, um wieder aktiv zu werden. Diese Zeit ist abhängig von der Art der Tiefentladung, d.h. von der Größe des Entladestromes, mit dem die Tief­ entladung bewirkt wurde sowie von der Dauer des Stehens im tiefentladenen Zustand. Diese Batterien müssen daher mit geeigneten Ladegeräten wieder aufgeladen werden. Insbeson­ dere Bleibatterien bestehen ferner in der Regel aus einer Reihen-Parallelschaltung von Einzelbatterien. Um nicht schadhafte Batterien aufzuladen und in Fahrzeuge einzu­ bringen ist es erforderlich, bei der Aufladung zu prüfen, ob die jeweils angeschlossene Batterie auch intakt ist.

Insbesondere ist es erforderlich, Batterien mit Defekten wie Einschlüssen zwischen den Elektroden zu ermitteln, da hierbei die Gefahr besteht, daß ein Großteil des zugeführ­ ten Ladestromes in Knallgas umgewandelt wird, was eine Gefährdung von Fahrzeug und Besatzung bewirkt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Wiederaufladung von Batterien offener und verschlossener Bauart sowie ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens aufzuzeigen, mit dem entladene, teilentladene und tiefent­ ladene Batterien wieder geladen werden können, wobei in mechanischer und elektrischer Hinsicht ein robuster Ein­ satz möglich sein soll, ohne daß durch Fehlbedienungen die Gefahr der Beschädigung des Ladegerätes oder der Batterie besteht.

Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich des Ladegeräts durch die kenn­ zeichnenden Merkmale des Anspruchs 6.

Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Die Erfindung wird nachstehend am Beispiel des in der Zeichnung dargestellten Ladegeräts sowie den Diagrammen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Ladegerät in einer schematischen perspektivi­ schen Ansicht,

Fig. 2 ein Diagramm mit einer schematischen Darstellung des Ladevorgangs,

Fig. 3 bis 5 schematische Diagramme mit dem Strom/Spannungsver­ lauf und dem Temperaturverlauf an den Polen bei der Ladung sowie den Spannungsverlauf bei der Ent­ ladung,

Fig. 6 bis 8 schematische Diagramme mit den Strom/Spannungsver­ läufen bei einer Geräteanzeige "Batterie defekt",

Fig. 9 den Schaltplan des Steuerteils des Ladegeräts,

Fig. 10 den Schaltplan des Ladegeräts.

Das in Fig. 1 schematisch dargestellte Ladegerät 1 besteht aus einem Gehäuse 2, das mit einem Deckel 3 verschlossen ist. Das Gehäuse 2 ist als gegliedertes Spritzgußgehäuse aus z.B. einer Aluminiumlegierung hergestellt. Der Deckel 3 ist mittels einer umlaufenden Dichtung 4 auf dem Gehäuse 2 be­ festigt, so daß dieses spritzwasserdicht ist. In dem Deckel 3 ist der Ein-/Ausschalter 5 für die Inbetriebnahme oder Außerbetriebnahme des Ladegeräts 1 vorgesehen. Ferner sind zwei Betriebsartwählschalter 6 angeordnet, mittels derer wahlweise ein Ladestrom von z.B. 20 A bzw. 40 A eingestellt werden kann. Ferner sind Leuchtanzeigen 10 vorgesehen, denen jeweils eine Symbolanzeige 15 zugeordnet ist. Durch diese Leuchtanzeigen 10 wird angezeigt, ob ein Netzanschluß vor­ handen ist, der Konstantladestrom von z.B. 20 A oder 40 A gewählt wurde, die Ladung beendet ist, die Batterie defekt ist oder aber eine Übertemperatur vorliegt. Im Bereich der einen Stirnwand ist das einen Stecker 8 aufweisende Netzan­ schlußkabel 7 durch die Wandung des Gehäuses 2 geführt. An dieser Stirnwand sind auch zwei Steckdosen 9 vorgesehen, an die jeweils ein Batterieanschlußkabel 11, 12 angeschlossen ist, sowie der Ausgang einer Sicherung 31, die somit bei geschlossenem Gehäuse 2 ausgetauscht werden kann. Die Batte­ rieanschlußkabel 11, 12 weisen endabschnittsseitig jeweils ein Polanschlußstück 13, 14 auf. Vorzugsweise sind die Polan­ schlußstücke 13, 14 als Steckkontakte ausgebildet, die ein­ fach auf die entsprechenden Pole der Batterie aufgeschoben werden können. Um auch bei abgenutzten Polen einen sicheren elektrischen Kontakt zu gewährleisten, ist es zweckmäßig, an den Steckkontakten der Polanschlußstücke 13, 14 federnde Kontaktstücke vorzusehen.

Durch entsprechende Gliederung des Gehäuses 2 sind in diesem Ausnehmungen ausgebildet, die zur Aufnahme der geräteseitigen Einbauteile wie Steuerteil 19 mit Mikropro­ zessorplatine 16, Sicherungsschalter 17, Spannungsregler 21 und Ladestromregler 20, Sicherungsautomat 18 und dergleichen dienen. Diese Einbauteile sind in den Ausneh­ mungen gegen elektromagnetische Wellen geschützt in je­ weils abgeschotteten Bereichen gelagert.

Fig. 2 zeigt am Beispiel eines Diagramms den Verlauf des Ladestromes und der Ladespannung bei der Wiederaufladung einer tiefentladenen verschlossenen Bleibatterie. Bei dem ersten Konstantspannungs-Ladeanteil wird eine Ladespannung von 14,4 Volt so lange angelegt, bis ein minimaler Lade­ strom fließt. Dieser Vorgang erstreckt sich auf maximal drei Stunden. Der minimale Ladestrom ist bei einer 20 A- Einstellung für Bleibatterien mit Ladekapazitäten zwi­ schen 30 Ah und 80 Ah 5 A und bei der 40 A-Einstellung für Bleibatterien mit Ladekapazitäten zwischen 81 Ah und 130 Ah 10 A. Durch diese Ladespannung soll die betreffende tiefentladene Batterie wieder regeneriert werden. Die Regenerierung ist dabei abhängig von der Art der Tiefent­ ladung und der Dauer des Stehens im tiefentladenen Zu­ stand. Sofern der erwähnte minimale Ladestrom nicht inner­ halb von drei Stunden erreicht wird, wird die Batterie als defekt ausgewiesen. Bei erstmaligem Überschreiten des minimalen Ladestromes während des ersten Konstantspan­ nungs-Ladeanteiles schließt sich der Konstantstrom-Ladean­ teil an. Hier wird der Ladestrom von 20 A bzw. 40 A ent­ sprechend der Ladegeräteeinstellung so lange angelegt, bis die Batteriespannung 14,4 V erreicht ist. Hiernach folgt der zweite Konstantstromspannungs-Ladeanteil, bei dem die Ladespannung auf 14,4 V gehalten wird, der Ladestrom je­ doch absinkt. Dieser zweite Konstantspannungs-Ladeanteil wird bei einem Restladestrom von 2 A für eine Ladegeräte­ einstellung 20 A bzw. 4 A bei der Ladegeräteeinstellung 40 A beendet. Die maximale Dauer des Konstantstrom-Ladeanteils und zweiten Konstantspannungs-Ladeanteils beträgt in die­ sem Beispiel sechs Stunden. Sofern während dieser Zeit der Restladestrom von 2 A bzw. 4 A nicht unterschritten wird, wird die angeschlossene Batterie als defekt ausgewiesen. Während des gesamten Ladevorgangs wird automatisch die Temperatur an den Endpolen der Batterie überwacht. Bei einer Temperaturerhöhung um mehr als z.B. 20°C an einem der beiden Endpole, jedoch mindestens auf z.B. 30°C, wird die angeschlossene Batterie ebenfalls als defekt ausgewie­ sen. Hierdurch ist sichergestellt, daß Batterien, die bei tiefen Umgebungstemperaturen aus einem Fahrzeug ausgebaut und zum Wiederaufladen an das Ladegerät angeschlossen wurden, nicht von vornherein durch die Anpassung an die Raumtemperatur als defekt ausgewiesen werden. Neben den genannten Überwachungsfunktionen wird die gesamte Kapazi­ tät der Batterie überprüft. Steigt die Kapazität an gilt dies ebenfalls als Hinweis "Batterie defekt". Bei dem Ladegerät 1 sind somit für die Frage der Wiederverwend­ barkeit der angeschlossenen Batterie die Kriterien minima­ ler Anfangsladestrom, maximaler Restladestrom, Temperatur an beiden Endpolen sowie eingeladene Gesamtkapazität ent­ scheidend. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß nicht mehr weiterverwendbare Batterien unter allen Umständen als defekt ausgewiesen werden, also auch solche Batterien, die lediglich einen Feinschluß zwischen Elektroden aufweisen.

Die Diagramme gemäß der Fig. 3 und 4 zeigen schematisch den Strom/Spannungsverlauf und den Temperaturverlauf an den Polen einer Batterie bei der Ladung. Fig. 5 zeigt den Spannungsverlauf bei einer Entladung. Die Fig. 6 bis 8 zeigen Diagramme mit den Strom/Spannungsverläufen, bei denen das Ladegerät "Batterie defekt" anzeigt.

Die Bedienung des Ladegeräts 1 sowie die Fehlersuche bei geräteinternen Störungen wird durch eine geräteinterne Prüfroutine erleichtert. Bei einem Netzausfall wird der bereits abgelaufene Ladevorgang gespeichert, so daß bei Netzwiederkehr die Ladung automatisch weiter fortgesetzt wird. Es können Batterien mit beliebigem Ladezustand an das Ladegerät 1 angeschlossen werden und beliebig lange an diesem angeschlossen bleiben, da in jedem Fall eine recht­ zeitige Abschaltung der Ladung nach Abschluß der Wieder­ aufladung erfolgt.

Der Selbsttest erfolgt nach dem Einschalten und nachfol­ genden Starten des Ladegeräts 1. Zunächst leuchten alle Leuchtanzeigen 10. Danach leuchtet die Netzkontrolleuchte und der Mikroprozessor auf der Mikroprozessorplatine 16 kontrolliert die verschiedenen Baugruppen des Ladegerätes 1, die Batterieanschlußkabel 11, 12 und den Batteriean­ schluß. Wird ein Fehler erkannt, so schaltet sich das Ladeprogramm nicht ein und in einer vorgegebenen Konfigu­ ration blinkt eine bestimmte Anzahl der Leuchtanzeigen 10. Anhand der jeweils nicht blinkenden Leuchtanzeige 10 kann die Art des Fehlers lokalisiert werden. Durch Verwendung von Steckverbindern ist es möglich schadhafte Bauelemente gegebenenfalls leicht auszutauschen.

Fig. 9 zeigt das Steuerteil 19 des Ladegeräts 1 als Schaltplan. Zentrales Bauelement ist die Mikroprozessor­ platine 16, die mit der Transformatorengruppe 24 und dem Netzanschlußteil 23 verbunden ist. Ferner ist die Mikro­ prozessorplatine 16 eingangsseitig mit einem A/D-Wandler 22 verbunden. Sie steht mit einen EPROM 26 sowie einem als Speicher dienenden RAM 25 in Verbindung. Das EPROM 26 sowie der A/D-Wandler 22 sind darüberhinaus mit jeweils einem D/A-Wandler 29 verbunden.

Fig. 10 zeigt den Schaltplan des Ladegeräts 1. An das Netzanschlußteil 23 schließt sich der Ein/Ausschalter 5 an. Das Netzanschlußteil 23 weist einen Sicherungsschalter 17 auf. Dem Ein/Ausschalter 5 ist eine Transformatoren­ gruppe 24 nachgeordnet. Diese ist mit einem Ladestromreg­ ler 20 verbunden. Zur Regelung des Ladegeräts 1 dient das Steuerteil 19, daß mit einer Anzeigeeinheit 30 mit den Leuchtanzeigen 10 verbunden ist. Vor den Batterieanschluß­ kabeln 11, 12 ist ein Spannungsregler 21 vorgesehen. Die­ sem ist ein Sicherungsautomat 18 nachgeschaltet. Der Meß­ wertaufnehmer 28, der in Fig. 10 nur angedeutet ist, ist mit dem Steuerteil 19 verbunden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Wiederaufladung von Batterien offener und verschlossener Bauart, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie über einen vorgegebenen maximalen Zeit­ raum mit einer Konstantspannung beaufschlagt wird, wobei geprüft wird, ob während dieses vorgegebenen Zeitraums ein minimaler Ladestrom vorbestimmter Größe fließt, daß bei Nichterreichen des Ladestroms der Ladevorgang unterbrochen und die Batterie ausgesondert wird und daß bei erstmaligem Überschreiten des minima­ len Ladestroms die Batterie mit einem Konstantlade­ strom beaufschlagt wird, bis ein vorgegebener Sollwert der Batteriespannung erreicht ist und daß dann an die Batterie eine Konstantspannung so lange angelegt wird, bis eine vorgegebene Ladezeit oder ein vorgegebener Restladestrom erreicht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie als defekt ausgewiesen wird, wenn während der letzten Konstantspannungsphase der vorgegebene Restladestrom nicht unterschritten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich­ net, daß während der Ladung der Batterie die Tempera­ tur von deren Endpolen gemessen und die Batterie bei einer Temperaturerhöhung an mindestens einem der End­ pole um mehr als eine vorbestimmte Temperaturdiffe­ renz als defekt ausgewiesen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß während der Ladung der Batterie die eingela­ dene Gesamtkapazität gemessen und bei zu hoher einge­ ladener Kapazität die Batterie als defekt ausgesondert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einschaltung des Ladegeräts vor Beginn des Lade­ vorgangs in dem Ladegerät eine geräteinterne Selbst­ prüfroutine abläuft und die Einsatzbereitschaft, ge­ räteinterne Fehler oder ein Kurzschluß der Batterie­ kabel durch Anzeigeleuchten angezeigt werden.

6. Ladegerät zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 bis 5, an dessen Gehäuse Bedienschalter und zwei Steckdosen für Batterieanschlußkabel ausgebildet sind und durch dessen eine Gehäusewand ein Netzan­ schlußkabel geführt ist, gekennzeichnet durch ein gegliedertes Gehäuse (2) aus einer Aluminiumlegierung oder dergleichen, das mittels eines Deckels (3) und einer umlaufenden Dichtung (4) spritzwasserdicht ver­ schließbar ist und in dem Ausnehmungen derart ausge­ bildet sind, daß die geräteseitigen Einbauteile wie Mikroprozessorplatine (16), Sicherungsschalter (17), Spannungsregler (21) und Ladestromregler (20) gegen elektromagnetische Wellen geschützt in abgeschotteten Bereichen lagerbar sind.

7. Ladegerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Gehäuse (2) ein Sicherungsautomat angeordnet ist, der bei einem polverkehrten Anschluß der Batte­ rieanschlußkabel (11, 12) bei ausreichendem Kurz­ schlußstrom den Betrieb des Ladegeräts (1) unter­ bricht.

8. Ladegerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterieanschlußkabel (11, 12) voneinander unter­ schiedlich dimensionierte Pole bzw. Polanschlußstücke (13, 14) aufweisen.

9. Ladegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Polanschlußstücke (13, 14) als Steckkontakte aus­ gebildet sind.

10. Ladegerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steckkontakte federnde Kontaktstücke aufweisen.