DE3853709T2

DE3853709T2 - Batterieladesystem.

Info

Publication number: DE3853709T2
Application number: DE3853709T
Authority: DE
Inventors: George W Bauer; Thomas J Sokira
Original assignee: Anton Bauer Inc
Current assignee: Anton Bauer Inc
Priority date: 1987-10-30
Filing date: 1988-10-28
Publication date: 1996-01-18
Anticipated expiration: 2008-10-29
Also published as: ES2041624T1; JPH01148030A; EP0314155A2; CA1300219C; EP0314155B1; ATE122183T1; DE314155T1; JPH0777496B2; EP0314155A3; US4849682A; GR930300075T1; DE3853709D1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden wiederaufladbarer Batterien im allgemeinen und befaßt sich im besonderen mit einer Vorrichtung, die eine Mehrzahl von Batterien in einer Reihenfolge lädt, die durch einen Prioritätsparameter, z.B. den darin vorhandenen Ladungspegel, bestimmt wird, und die den Ladevorgang an den Batterietyp anpaßt.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

In der Technik sind verschiedene Ladesysteme für wiederaufladbare Batterien, z.B. Nickel-Cadmium (NiCd) Batterien, bekannt. Wenn eine Batterie tief entladen ist, wird ein solches Batterleladegerät typischerweise einen konstanten Strompegel liefern, bis ein Batteriemerkmal, z.B. die Zellenspannung oder die Temperatur, einen Abschaltpegel erreicht. Danach liefern einige der vorher bekannten Ladegeräte der Batterie einen Konstantstrom mit einer verminderten Größe, einen intermittierenden Erhaltungsstrom oder eine Kombination davon.
Wenn einer NiCd-Batterie über einen verlängerten Zeitraum Konstantstrom zugeführt wird, hat dies eine übermäßige Zellenerwärnung und Gasbildung in der Zelle zu Folge, was den Elektrolyten schwächt und den Zerfall organischer Materialien innerhalb der Zelle, einschließlich der Plattenseparatoren und Abdichtungen, stark beschleunigt.
In dem gemeinsam abgetretenen US-Patent Nr. 4,554,500, erteilt am 19. Nov. 1985, werden ein Batterieladeverfahren und eine -ladevorrichtung offenbart, die eine programmierbare zweistufige Konstantstromquelle umfassen. Die Batterie wird zu Anfang mit einem Konstantstrom für eine vorbestimmte Zeit geladen oder bis die Batterietemperatur einen Schwellenpegel überschreitet, was auch immer zuerst eintritt. Wenn zuerst die Temperatur überschritten wird, lädt das Batterieladegerät dann die Batterie mit einer reduzierten Rate für eine weitere Zeitdauer, um sicherzustellen, daß die Batterie vollständig geladen wird. Da die Zellentemperatur eine Funktion der Batterieladerate ist, minimiert die verminderte Laderate das überhitzen. Nachdem die vorbestimmte oder die zusätzliche Zeitdauer verstrichen ist, liefert das Ladegerät einen gepulsten Strom, um die Selbstentladung der Batterie zu verhindern.
Andere derzeit bekannte Ladesysteme liefern der Batterie einen konstanten Strom, bis die Batterie eine Schwellenspannung zeigt.
Um eine Mehrzahl von Batterien zu laden, sind einige Ladesysteme des Standes der Technik parallel konfiguriert, wodurch jede Batterie unab hängig von allen anderen geladen wird. Nicht jede Batterie (oder "Batteriepack") in einer Gruppe von zu ladenden Batterien wird den gleichen Entladungspegel aufweisen. Wenn bei parallelen Batterieladesystemen des Standes der Technik das System einen mäßigen Gesamtstromausgang besitzt und jeder Batterle einen gleichen Bruchteil des Gesamtstromes liefert, ist daher die zum vollen Laden einer Batterie erforderliche Zeit verglichen mit sequentiellen Ladesystemen relativ lang.
Andere Batterieladegeräte des Standes der Technik laden jede Batterie einzeln in einer sequentiellen Weise auf volle Ladung.
Bei sequentiellen Ladesystemen wird beim Bestimmen der Ladefolge nicht zwischen Batterien, die nur leicht entladen sind, und solchen, die stärker entladen sind, unterschieden, und jede Batterle wird mit einem konstanten Strom auf ihren vollen Ladezustand geladen. Außerdem können einige Batterieladegeräte des Standes der Technik den Typ der zu ladenden Batterie (z.B. 2 oder 4 Ah; 12, 13 oder 14 Volt) nicht bestimmen und können verlangen, daß die Batterien nach Typ getrennt werden, um sie optimal zu laden.
Die Europäische Patentanmeldung 0121325 A2 offenbart ein System zum Laden einer Mehrzahl von Batterien, die unterschiedliche Kapazitäten aufweisen können. Die unterschiedlichen Kapazitäten können mit Mikroschaltern abgetastet werden, die beim Einsetzen der Batterien in die jeweilgen Batteriehalterungen in der Ladeeinheit aktiviert werden. Der Strom aus einer einzigen Stromquelle wird auf die verschiedenen Batterien, die geladen werden, wie folgt gemultiplext. Die Batterie, die die längste Zeit in einer Batteriehalterung verblieben ist, besitzt Ladepriorität. Ein elektrischer Test wird auf einer solchen Batterie durchgeführt, um zu bestimmen, ob sie brauchbar ist. Wenn ja, tritt ein Multiplexen des Stromes aus der Stromquelle auf, wobei die Prioritätsbatterie Ladeimpulse von einer Sekunde, beabstandet durch Zwischenräume von einer Sekunde, empfängt. In den Zwischenräumen werden die übrigen Batterien nacheinander mit Erhaltungsimpulsen versorgt. Das Laden der Batterie mit Priorität hält an, wenn ein Ladezustand entweder durch ihr Spannungsverhalten angezeigt wird oder ihre Gesamtladezeit einen vorbestimmten Pegel erreicht. Die Batterie mit der nächsten folgenden Ladepriorität ist die nächste Batterie, die die längste Zeit in einer Batteriehalterung verblieben ist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Erfindungsgemäß wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, um eine Mehrzahl von Batterien zu laden, die weniger als die volle Ladung aufweisen.
Es werden Einrichtungen zur Verfügung gestellt, die wenigstens den Ladezustand jeder Batterie bestimmen und die Batterieladefolge wenigtens teilweise nach Maßgabe des Ausmaßes der Ladezustände der Batterien priorisieren.
Die Vorrichtung umfaßt eine Einrichtung (26, 72), die die Ladezustände einer Mehrzahl von Batterien (22a, 22b, 22n), einschließlich einer Mehrzahl von im wesentlichen entladenen Batterien, bestimmt, und eine mit der Bestimmungseinrichtung verbundene Einrichtung (26, 74), die jeder der im wesentlichen entladenen Batterien eine Priorität von eins abwärts basierend wenigstens teilweise auf dem von der Bestimmungseinrichtung bestimmten Ausmaß der Ladezustände zuordnet, eine Ladeeinrichtung (12, 16, 18), die imstande ist, wenigstens einer der im wesentlichen entladenen Batterien mit Priorität eins einen Impuls (z.B 41a), der höher als der Nennstrom ist und zum Schnelladen während eines ersten vorbestimmten Teilintervalls (39) jedes aus einer Vielzahl von periodischen Intervallen (z.B. 40a) ausreichend ist, zu liefern, bis die Bestimmungseinrichtung feststellt, dar die Batterie der Priorität eins völlig geladen oder fast völlig geladen ist. Sie ist dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeeinrichtung (12, 16, 18) weiter imstande ist, diesen Vorgang zu wiederholen, wenn während des Intervalls (z.B. 40a) nach jedem ersten Teilintervall (39) genügend Zeit für eine Batterie niedrigerer Priorität verbleibt, wobei die Batterien in der Folge der höchsten Ladung, wie durch die Bestimmungseinrichtung bestimmt, geladen werden.
Aus diese Weise stellt das System in einer kurzen Zeitdauer eine voll geladene Batterie zur Verfügung.
Gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfaßt das Batterieladegerät eine Einrichtung, die den Typ der zu ladenden Batterie bestimmt. Das Batterieladegerät kann programmiert werden, um Baterien bestimmter Kapazität zuerst zu laden, um völlig geladene Batterien mit dieser Kapazität in einer kurzen Zeit zur Verfügung zu stellen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Batterieladesystem zur Verfügung zu stellen, das eine Mehrzahl von Batterien priorisieren und die Batterien in einer zeiteffizientesten Weise für die Gruppe laladen wird, worin z.B. die Batterien, die die wenigste Ladung benötigen, zuerst geladen werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Batterieladesystem zur Verfügung zu stellen, das nach Maßgabe des Batterietyps Ladeparameter automatisch einstellt.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Batterieladesystem zur Verfügung zu stellen, das, wenn angebracht, einen gepulsten Strom an die Batterien anlegt, um überhitzung und Gasbildung in den Batteriezellen zu vermeiden.
Fig. 1 ist ein vereinfachtes Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Batterieladesystems.
Fig. 2 ist ein ausführlicheres Blockschaltbild einer Steuerschaltung innerhalb des Systems von Fig. 1.
Fig. 3(a) ist der obere Teil und Fig. 3(b) ist der untere Teil eines vereinfachten Flußdiagramms eines von dem Batterieladesystem von Fig. 1 ausgeführten Computerprogramms.
Fig. 4 ist ein Zeitdiagramm, das den vom Ladesystem von Fig. 1 an eine Batterie gelieferten Strom darstellt.
Fig. 5 ist ein Zeitdiagramm, das den vom Ladesystem von Fig. 1 an vier Batterien gelieferten Strom darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG

Fig. 1 zeigt in einem vereinfachten Blockformat ein erfindungsgemäßes Batterieladesystem 10. Das System 10 umfaßt eine Stromversorgung 12, die ein schaltender oder nicht schaltender Typ sein kann und über die Leitungen 14 einem Stromregler 16 Strom liefert. Bei der gezeigten Ausführung liefert der Stromregler einen im wesentlichen konstanten Strom von 4.5 Ampere bei 20 Volt. Der Ausgang des Stromreglers 16 ist über eine Mehrzahl programmierbarer Schalter 18 mit einer Mehrzahl von Batterien 22 verbunden, die zum Laden oder zur Erhaltung der vollen Ladung in das System eingesetzt werden. Jeder der Schalter 18 kann durch die Steuerschaltung 26 nach Maßgabe eines unten beschriebenen Computerprogramms selektiv geschlossen werden, um der jeweiligen Batterie Strom zuzuführen.
Sowohl der Konstantstromregler 16 als auch die Stromschalter 18 sind herkömmlicher Art. Bei der gezeigten Ausführung umfaßt der Stromregler eine Mehrzahl von Feldeffekt-Transistoren, die erwünscht sind, weil sie viele Male ohne Verschlechterung geschaltet werden können. Die Schalter 18 sind ebenfalls elektronisch.
Bei der gezeigten Ausführung stellt jede der Batterien vorzugsweise Signale bereit, die ihre Nennspannung und ihren Nennstrom, ihren Ladezustand und ihre Temperatur angeben, und sendet die Signale über die Leitungen 24 an die Steuerschaltung 26. Die Nennspannung und der Nennstrom können durch einen Widerstand innerhalb der Batterie angezeigt werden, und der Ladezustand kann durch die Temperatur oder die Spannung der Batterie oder durch eine elektronische Schaltung in der Batterie angezeigt werden, die die Entladung der Batterie überwacht. Die Batterietemperatur kann durch einen oder mehr Thermostaten in jeder Batterie angrenzend an die Batteriezellen angezeigt werden.
Fig. 2 ist vereinfachtes Blockschaltbild der Steuerschaltung 26 von Fig. 1. Die Steuerschaltung 26 beruht zur richtigen Funktion auf den vorgenannten Rückführungssignalen über die Leitungen 24 von jeder Batterie 22. Diese Signale werden von einem herkömmlichen A/D-Umsetzer 28 empfangen, der auf den Leitungen 30 ein gleichwertiges Digitalsignal an die zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 32 sendet. Die CPU ist ein in der Technik bekannter Typ. Die CPU umfaßt einen herkömmlichen Prozessor 37, einen Direktzugriffsspeicher 39 und einen festspeicher 41. Als Reaktion auf die empfangenen Signale und die im ROM 41 residente Firmware sendet der zentrale Prozessor Steuersignale auf den Leitungen 34 an die Logikschaltung 36, die die Schalter 18 nach Maßgabe des unten beschriebenen Computerprogramms einen zu einer Zeit selektiv schließt.
Wie unten mit Verweis auf Fig. 3 beschrieben wird, ist die Steuerschaltung von Fig. 2 konfiguriert, um jede der Batterien nach Maßgabe eines Batterieparameters zu priorisieren und diese selektiv sequentiell zu laden. Die elektronische Steuerschaltung veranlaßt ferner die periodische Lieferung von gepulstem Stron (4.5 A bei der bevorzugten Ausführung) an die Batterien. Bei der bevorzugten Ausführung der Erfindung beträgt die Impulsbreite etwa 900 ms für im wesentlichen entladene Batterien und etwa 100 ms für fast geladene oder völlig geladene Batterien, wenn solche Zustände ermittelt werden. Die Impulsbreite beträgt in den letzteren Fällen etwa 100 ms und der mittlere Strom weniger als ein Zehntel des Nennstromes aufgrund der schädlichen Auswirkungen auf die einzelnen NiCd-Batteriezellen, wenn diese Impulsdauer und der mittlere Strom für eine längere Dauer überschritten werden. Batteriehersteiler und andere haben herausgefunden, daß nachteilige chemische Reaktionen innerhalb der einzelnen Batteriezellen im wesentlichen beseitigt werden können, wenn in diesen Fällen Strom für Perioden von weniger als etwa 100 ms an die Batterie angelegt wird.
Die Anmelder haben ebenfalls herausgefunden, daß die periodische Zufuhr von höherem als dem Nennstrom an die im wesentlichen entladene Batterie für 900 ms pro Periode der Batterie nicht schadet, solange der mittlere Strom während der Periode etwa der Nennstrom für empfohlene Schnelladung oder weniger ist.
Um eine Mehrzahl von Batterien in der kürzest möglichen Zeit zu laden, vermeidet das vorliegende Ladesystem 10 die Notwendigkeit einer extrem großen und leistungsverbrauchenden Stromversorgung, indem die einzelnen Batterien in einer sequentiellen Weise anstelle einer parallelen Weise geladen werden. Bei der bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist die Größe des gepulsten Stromes größer als der Nennstrom der Batterien. Eine effektive oder mittlere Laderate wird hergestellt, indem das Tastverhältnis des an jede Batterie gelieferten gepulsten Stromes verändert wird.
Wie in dem gemeinsam besessenen U.S.-Patent Nr. 4,554,500 des Anmelders betitelt "Battery Charging Apparatus and Method", erteilt am 19. Nov. 1985 und hierin durch Verweisung eingeschlossen, ausführlich beschrieben, kann, wenn einmal eine Batterie für fast völlig geladen befunden worden ist, ein Ausgleichsstrom bereitgestellt werden, um die Ladung zwischen den Batteriezellen auszugleichen und dadurch die Batterie völlig zu laden. Diese Laderate kann 1/10 der für tief entladene Batterien benutzten Laderate (C/10) betragen. Nach Vollendung des Ausgleichsladezyklusses kann die völlig geladene Batterie außerdem periodisches Laden empfangen, um eine Selbstentladung zu verhindern. Die Laderate zum Verhindern der Selbstentladung kann etwa 1/50 der für tief entladene Batterien benutzten Laderate (C/50) betragen.
Das Flußdiagramm von Fig. 3 veranschaulicht weiter den Vorgang zum Priorisieren und Laden der Batterien. Die CPU 32 steuert den Vorgang nach Maßgabe der in dem ROM 41 enthaltenen Firmware. Ein Priorisierungsteil 60 des Flußdiagramms beginnt, wenn das System 10 eingeschaltet wird (Schritt 62), wann immer eine Batterie in das Ladesystem 10 eingesetzt oder daraus entfernt wird und wann immer eine Batterie in dem System 10 auf einen Zustand geladen ist, bei dem sie den vorliegenden Ladestrom nicht mehr benötigt (der Schritt 92 wird unten ausführlicher beschrieben).
Gemäß dem Priorisierungsunterpogramm 60 liest die CPU 32 zuerst die Thermostaten in den Batterien 22, um zu bestimmen, welche der Batterien eine Temperatur innerhalb eines zum Laden geeigneten Bereichs zeigen. Wenn eine Batterie über dem Bereich liegt, z.B. über 45ºC, kann dies anzeigen, daß die Batterie kürzlich geladen oder anderweitig erhitzt worden ist. Ein weiteres Laden kann folglich die Batterie beschädigen und wird deshalb durch diese Prüfung (Schritt 64) verhindert. Die Batterien, die geeignete Ladetemperaturen zeigen, werden in Gruppen zusammengefaßt, und ihre Plätze werden in dem RAM 39 gespeichert (Schritt 66).
Gemäß dem Priorisierungsunterpogramm 60 liest die CPU 32 als nächstes den Typ der Batterien im System 10 (Schritt 68) und, wie oben angemerkt, kann dies durch Abtasten der Werte von in den Batterien enthaltenen Widerständen oder durch andere elektronische Schaltkreise oder Indikatoren in den Batterien durchgeführt werden. Der Mikroprozessor priorisiert dann die in dem RAM enthaltene vorgenannte Gruppe basierend auf dem Typ jeder Batterie innerhalb der Gruppe und einer in die CPU 32 einprogrammierten vorbestimmten Prioritätsfolge (Schritt 70). Das System 10 kann z.B. imstande sein, sowohl 4 Ah als auch 2 Ah Batterien unterzubringen, und die CPU 32 kann programmiert werden, um zu veranlassen, daß die 4 Ah Batterien vor den 2 Ah Batterien geladen werden, weil statistisch durch das System 10 eine 4 Ah Batterie so schnell wie zwei 2 Ah Batterien geladen werden kann, und wird dem Anwender eine größere Kapazität zur Verfügung stellen.
Gemäß dem Priorisierungsunterpogramm 60 mißt die CPU 32 als nächstes den Grad der Ladung von jeder der Batterien innerhalb der vorgenannten Gruppe (Schritt 72). Wie oben angemerkt, kann dies entweder durch Messen der Spannung der Batterie oder durch Ablesen der elektronischen Schaltung in der Batterie durchgeführt werden, wobei die Schaltung den Ladezustand der Batterie auf der Basis ihrer vorangehenden Benutzung direkt überwacht. Die CPU 32 priorisiert weiter die im RAM 39 gespeierte Gruppe basierend auf ihrer Ladung so, daß der Batterie mit der höchsten Ladung unter dem Pegel, der nur den Ausgleichsstrom benötigt, die Priorität eins zugewiesen wird, und den Batterien, die geringere Ladungspegel enthalten, die Prioritäten zwei, drei usw. zugewiesen werden (Schritt 74). Die Batterien mit einem Ladezustand unter dem, der nur den Ausgleichsstrom erfordert, werden hierin als Batterien bezeichnet, die eine "wesentliche" Ladung benötigen. Den Batterien, so vorhanden, die nur den Ausglelchsstrom benötigen, werden die nächsthöchsten Prioritäten zugeteilt, und den Batterien, so vorhanden, die völlig geladen sind und nur den Erhaltungsstrom benötigen, werden die nächsthöchsten Prioritäten zugeteilt. Weil es jedoch schwer ist, anfangs den Ladezustand jeder Batterie auf der Basis ihrer Spannung genau zu bestimmen, nimmt die CPU zu Anfang an, daß jede Batterie "wesentlich entladen" ist. Die CPU 32 aktiviert dann LEDs oder andere mit den Batterien verbundene Anzeigen 77, um anzuzeigen, welche Batterien völlig geladen sind (Schritt 75), aber zu dieser Zeit wird in dem genannten Beispiel keine der Batterien für völlig geladen gehalten.
Als nächstes führt die CPU 32 einen Ladeteil des Flußdiagramms aus. Die CPU bestimmt, ob die Batterie 22 der Priorität eins "wartet", d.h., ob die Batterie der Priorität eins eine Temperatur, einen Typ und einen Ladezustand besitzt, die zum Laden geeignet sind (Schritt 78) und ob die Batterie während eines nächsten periodischen Intervalls 40d (in Fig. 4 als eine Sekunde dauernd dargestellt) Ladung benötigt, um eine vorbestimmte Laderate bereitzustellen. In dem gezeigten Beispiel ist die Batterie der höchsten Priorität zum Laden geeignet und wird für im wesentlichen entladen gehalten. Die CPU nimmt deshalb an, daß sie "Schnelladung" benötigt, ein mittlerer Ladestrom von etwa 4.0 A, der durch einen Impuls von 4.5 A für 900 ms des nächsten und jedes periodischen Intervalls 40 geliefert wird. Der Algorithmus geht folglich zu Schritt 80, wo die CPU 32 bestimmt, daß von der geregelten Stromversorgung 12 während des nächsten periodischen Intervalls 40d genügend Strom zur Verfügung steht, um den von der Batterie der Priorität eins benötigten Strom zu liefern, so daß die CPU 32 die Logikschaltung 36 aktiviert, um den mit der Batterie der Priorität eins verbundenen Schalter 18 für ein Teilintervall 39 zu schließen, das 900 ms während des Intervalls 40d beträgt (Schritt 82), um einen Stromimpuls 41 zu liefern. Dies liefert einen Strom von 4.05 A während des Intervalls 40d, da die Stromversorgung 12 einen Ruhestrom von 4.5 A ausgibt.
Dann lädt die CPU 32 aus ihrem RAM 39 den Kanal der Batterie 22 der Priorität zwei zurück, und bestimmt nach den gleichen Kriterien wie oben beschrieben, daß die Batterie der Priorität zwei "wartet" (Schritt 84). Die CPU 32 bestimmt dann, ob die geregelte Stromversorgung 12 während des Rests des in Fig. 4 gezeigten Intervalls 40d über genug Strom verfügt, um die Anforderungen der Batterie der Priorität zwei zu liefern, von der ebenfalls angenommen wird, daß sie im wesentlichen entladen ist (Schritt 86). In dem gezeigten Beispiel bleibt während des Intervalls 40d nicht genug Zeit übrig, um der Batterie der Priorität zwei einen mittleren Strom von 4.0 A zu liefern, so daß die CPU 32 zu Schritt 90 springt, wo sie feststellt, daß andere Batterien in Betracht gezogen werden sollten. Die CPU durchläuft dann in einer Schleife die Schritte 84 und 86 und stellt fest, daß die Batterien der dritten, vierten und fünften Priorität warten, aber es bleibt während des Intervalls 40d nicht genug Zeit übrig, um sie zu laden. Nachdem diese Festellung für die Batterie der fünften Priorität erfolgt ist, geht die CPU vom Schritt 90 zum Schritt 92, wo sie bestimmt, ob eine Neuplanung benötigt wird, d.h., ob sich irgendwelche Bedingungen verändert haben, die die CPU nötigen, das Priorisierungsunterprogramm 60 erneut auszuführen (Schritt 92). Wie oben angemerkt, können diese neue Bedingungen daraus entstehen, daß entweder eine neue Batterie in das System 10 eingesetzt wird, eine Batterie aus dem System 10 entfernt wird oder daß eine Batterie ihren Ladezyklus beendet hat.
Die CPU überwacht drei Parameter, um zu bestimmen, wann die Batterie der Priorität eins fast geladen und deshalb der Nennladezyklus der Batterie 22 der Priorität eins zu beenden ist. Erstens, die CPU summiert fortlaufend die Zeit, die der Strom an die Batterie der Priorität eins geliefert wird, und wenn die Gesamtzeit 150% der Nennkapazität erreicht, beendet sie den Ladezyklus und geht vom Schritt 92 zu dem Priorisierungsunterprogamm 60, um die Batterien neu zu ordnen. Zweitens, die CPU 32 überwacht fortlaufend die Batterietemperatur, und wenn die Batterietemperatur eine mit dem sicheren Laden der Batterie verbundene Grenze übersteigt, geht die CPU 32 vom Schritt 92 zum Priorisierungsunterprogamm 60. Drittens, die CPU überwacht fortlaufend die Spannung der Batterie der Priorität eins, um zu bestimmen, wann das Spannungsprofil dem einer völlig geladenen Batterie des gleichen Zellentyps entspricht. Wenn die Batterie der ersten Priorität fast völlig oder völlig geladen war, dann würden der zweite oder dritte Parameter wahrscheinlich das Ende des Schnelladezyklusses auslösen.
Nach einer Anzahl von Wiederholungen der Schritte 78-90, die vom Anfangsladezustand der Batterie der Priorität eins abhängen, beendet, wie oben angemerkt, die Batterie der Priorität eins ihren Ladezyklus, und die ursprüngliche Batterie der Priorität zwei wird die neue Batterie der Priorität eins und wird während der Schritte 82 mit Impulsen von 900 ms geladen, so daß die Batterien erfindungsgemäß in der Reihenfolge der höchsten Ladung geladen werden.
Wenn die ursprüngliche Batterie der Priorität eins 150% der Nennamperestunden vor der Beendigung ihres Schelladezyklusses empfangen hat, wird sie für völlig geladen gehalten, andernfalls wird sie von der CPU für fast völlig geladen gehalten, um die nachfolgende Priorität und Ladung zu bestimmen.
Für eine weitere Beschreibung der Erfindung sei angenommen, daß zu einem späteren Datum nach beträchtlich mehr Betrieb des Systems 10 fünf Batterien in das System eingesetzt sind. Alle sind 4 Ah Batterien und befinden sich im erforderlichen Temperaturbereich. Die CPU nimmt an, daß zwei der Batterien 22a und 22b im wesentlichen entladen sind und die maximale Laderate benötigen, die Batterie 22c durch vorangehendes Laden fast völlig geladen ist und nur den Ausgleichsstrom benötigt und die anderen zwei Batterien 22d und 22e nur den Erhaltungsstrom benötigen. Ferner weist die Batterie 22a einen größeren Ladezustand als die Batterie 22b auf. Folglich werden den Batterien 22a-22e jeweils die Prioritäten eins bis fünf zugewiesen.
Als nächstes führt die CPU 32 den Ladeteil des Flußdiagramms aus. Die CPU bestimmt, ob die Batterie 22a der Prirität eins wartet, d.h., ob die Batterie der Priorität eins Temperatur, Typ und Ladezustand besitzt, die zum Laden geeignet sind (Schritt 78) und ob die Batterie während des nächsten periodischen Intervalls 40a (in Fig. 5 als eine Sekunde dargestellt) Ladung benötigt, um eine vorbestimmte Laderate bereitzustellen. In dem gezeigten Beispiel ist die Batterie der höchsten Priorität zum Laden geeignet und benötlgt einen mittleren Ladestrom von etwa 4.0 A, der durch einen Impuls von 4.5 A für 900 ms des nächsten und jedes periodischen Intervalls 40 geliefert wird. Folglich geht der Algorithmus zu Schritt 80, wo die CPU 32 feststellt, daß genügend Strom, d.h. übrige, unbenutzte Ladezeit, von der geregelten Stromversorgung 12 während des nächsten periodischen Intervalls 40a vorhanden ist, um den von der Batterie der Priorität eins benötigten Strom zu liefern. Die CPU 32 aktiviert folglich die Logikschaltung 36, um den mit der Batterie der Priorität eins verbundenen Schalter 18 für ein Teilintervall 39 zu schließen, das während des Intervalls 40a 900 ms beträgt (Schritt 82), um einen Impulsstrom 41 zu liefern. Dies liefert einen mittleren Strom von 4.05 während des Intervalls 40a, da die Stromversorgung 12 einen Ruhestrom von 4.5 A ausgibt.
Dann lädt die CPU 32 aus ihrem RAM 39 den Kanal der Batterie 22b der Priorität zwei zurück, und bestimmt nach den gleichen Kriterien wie oben beschrieben, daß die Batterie der Priorität zwei "wartet" (Schritt 84). Dies trifft in dem gezeigten Beispiel zu, so daß die CPU 32 dann bestimmt, ob die geregelte Stromversorgung 12 während des Rests des in Fig. 5 gezeigten Intervalls 40a über genug Strom verfügt, um die Anforderungen der Batterie der Priorität zwei zu liefern (Schritt 86). In dem gezeigten Beispiel bleibt während des Intervalls 40a nicht genug Zeit übrig, um der Batterie der Priorität zwei einen mittleren Strom von 4.0 A zu liefern, so daß die CPU 32 zu Schritt 90 springt, wo sie feststellt, daß andere Batterien in Betracht gezogen werden sollten. Die CPU springt dann zum Schritt 84 zurück, um zu bestimmen, ob die Batterie 22c der Priorität drei wartet, und geht dann wieder zu Schritt 86. In dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel, wo die Batterie der Priorität drei fast völlig geladen ist und nur den Ausgleichsstrom benötigt, stellt die CPU 32 fest, daß die Batterie der Priorität drei einen mittleren Strom von etwa 0.15 A benötigt, der durch einen Impuls von 4.5 A für 100 ms alle drei Sekunden geliefert wird. Folglich veranlaßt die CPU die Logikschaltung 36 den mit der Batterie der Priorität drei verbundenen Schalter 18 für 100 ins während eines Teilintervalls 44a des Intervalls 40a zu schließen (Schritt 88) und vermerkt in seinem Speicher, daß die Batterie der Priorität drei den 100 ms Impuls jedes dritte Intervall danach benötigt, um einen mittleren Strom von 0.15 A bereitzustellen. Die Kurve 46a zeigt den an die Batterie der Priorität drei während des Intervalls 40a gelieferten Strom.
Die CPU 32 bestimmt dann, ob alle Batterien im System 10 zum Laden in Betracht gezogen worden sind (Schritt 90). In dem gezeigten Beispiel ist nicht der Fall, so daß die CPU 32 zu Schritt 84 zurückgeht, um zu sehen, ob die Batterie der nächsten Priorität, in diesem Fall die Batterie 22d der Priorität vier wartet und wenn ja, ob die geregelte Stromversorgung 12 während des Rests des Intervalls 40a über genug Strom verfügt, um die Anforderungen der Batterie der Priorität vier zu liefern. In dem gezeigten Beispiel ist die Batterie der Priorität vier völlig geladen und benötigt nur den Erhaltungsstrom, um die volle Ladung zu bewahren. Die Erhaltungsladung entspricht einem Stromimpuls von 100 ms (4.5 A in der Größe) alle sechs Sekunden, um einen mittleren Strom von 75 mA zu ergeben. Während des Intervalls 40a ist jedoch keine Zeit übrig, so daß die CPU vom Schritt 86 über den Schritt 90 zum Schritt 84 springt und die gleiche Untersuchung für die Batterie der Priorität fünf wiederholt. Weil während des Intervalls 40a keine Zeit übrig ist, führt die Ausführung der mit der Batterie der Priorität fünf verbundenen Schritte 84 und 86 über den Schritt 90 zu Schritt 92, weil die Batterie der Priorität fünf die letzte Batterie im System 10 ist.
Es sollte angemerkt werden, daß, wenn die Batterie 22a der Priorität eins eine Nennkapazität von nur 2 Ah hätte, dann im Schritt 82 das System 10 der Batterie der Priorität eins 4.5 A für nur 450 ms liefern würde, und 450 ms würden während des Schritts 88 benutzt werden, um die Batterie der Priorität zwei zu laden, wenn sie ebenfalls eine 2 Ah Batterie wäre.
Wieder auf das in Fig. 5 gezeigte Beispiel verweisend bestimmt die CPU 32, nachdem sie ihre vier Wiederholungen der Schritte 84, 86 und 90 vollendet hat, ob sich irgendwelche Bedingungen verändert haben, die von der CPU verlangen, das Priorisierungsunterprogramm 60 erneut auszuführen (Schritt 92). Wie oben angemerkt, können diese neuen Bedingungen daraus hervorgehen, daß entweder eine neue Batterie in das System 10 eingesetzt wird, eine Batterie aus dem System 10 entfernt wird, die Batterie der Priorität eins ihren Ladezyklus beendet hat oder daß die Batterie der Priorität drei ihren völlig geladenen Zustand erreicht.
Wie oben angemerkt, überwacht ferner die CPU 32 drei Parameter, um zu bestimmen, wann die Batterie der Priorität eins fast geladen und deshalb der Nennladezyklus der Batterie 22a der Priorität eins zu beenden ist.
Die CPU 32 überwacht ferner fortlaufend den Ladezyklus der Batterie der Priorität drei, um zu bestimmen, wann die Zellen in der Batterie der Priorität drei ausgeglichen worden sind. Um etwa zu bestimmen, wann die Ausgleichung durchgeführt worden ist, summiert die CPU 32 die gesamten Amperestunden des der Batterie der Priorität drei vom System 10 gelieferten Ladestromes und wenn das Total die Nennkapazität der Batterie um etwa 50% übersteigt, nimmt die CPU 32 an, daß die Batteriezellen ausgeglichen worden sind.
Angenommen, daß weder die Batterie der Priorität eins noch die Batterie der Priorität drei ihren Ladezyklus nach einer Wiederholung der Schritte 78-82 und vier Wiederholungen der Schritte 84-92 vollendet hat, dann geht die CPU 32 von Schritt 92 zu den Schritten 78-82, um die Batterie der Priorität eins während des nächsten Intervalls 40b mit einem 900 ms Impuls zu laden. Dann durchläuft die CPU 32 die Schritte 94, 96 und 90, in denen sie feststellt, daß die Batterie der Priorität zwei wartet, aber es ist nicht genug Strom vorhanden, um sie während des nächsten Intervalls 40b zu laden.
Die CPU führt dann den Schritt 84 erneut aus und stellt fest, daß die Batterie der Priorität drei nicht wartet, weil sie einen 100 ms Strom- Impuls während des vorigen Intervalls 40a empfing und für zwei weitere Intervalle 40 keine weiteren Impulse benötigen wird. Dann springt die CPU zurück zum Schritt 84 und stellt fest, daß die Batterie der Priorität vier wartet, weil sie den Erhaltungsstrom benötigt und während des vorigen Intervalls 40a oder der fünf vorangehenden Intervalle keinen 100 ins Impuls empfing. Als nächstes geht die CPU zu Schritt 86 und stellt fest, daß das nächste Teilintervall 44b zur Verfügung steht, um die Batterie der vierten Priorität zu laden, was sie im Schritt 88, wie durch die Kurve 48b in Fig. 4 gezeigt, ausführt.
Die CPU wiederholt dann den Schritt 84 für die Batterie der Priorität fünf und bemerkt, daß sie ebenfalls wartet, weil sie die Erhaltungsladung benötigt und während der vorangehenden Intervalls 40a oder fünf vorangehenden Intervallen keinen 100 ms Impuls empfing. Das Teilintervall 44b steht jedoch nicht zur Verfügung, so daß die CPU vom Schritt 86 zu den Schritten 78-82 springt, um der Batterie der Priorität eins einen weiteren 900 ms Impuls 41 zu liefern, wobei sie annimmt, daß in Schritt 92 keine Neuplanung erforderlich war.
Bei der nächsten Serie von Wiederholungen der Schritte 84-88 bemerkt die CPU, daß die Batterie der Priorität zwei wartet, aber wegen Strommangels nicht bedient werden kann, die Batterien der Priorität zwei und drei nicht warten, weil sie während der vorangehenden zwei Intervalle Stromimpulse empfingen, und die Batterie der Priorität fünf wartet und während des Teilintervalls 44c Zeit vorhanden ist. Die CPU liefert dann in Schritt 88 der Batterie der Priorität fünf während des Intervalls 40c einen 100 ms Impuls (Kurve 50c).
Der obige Vorgang wird wiederholt, bis in Schritt 92 eine Neuplanung erforderlich ist. Dann, wenn in dem gezeigten Beispiel die Batterie der Priorität eins fast völlig geladen ist, wird die Batterie der Priorität zwei gemäß dem Priorisierungsunterprogramm 60 die neue Batterie der Priorität eins und wird während der Schritte 82 geladen (Impulse 41), so daß die Batterien, die wesentliche Ladung benötigen, in der Reihenfolge der höchsten Ladung geladen werden.
Man beachte, daß erfindungsgemäß die Vorteile von Stromimpulsen von weniger als 100 ms Dauer für völlig geladene und fast geladene Batterien erhalten werden, nachdem diese Zustände festgestellt werden, während eine Mehrzahl von Batterien in einer zeiteffizienten Weise geladen wird. Der Teil des Ladeintervalls, der nicht zum Laden der Batterie der Priorität eins benutzt wird, wird oftmals an die anderen Batterien umdirigiert. Dies stellt sicher, daß alle Batterien ohne Verschwendung von Zeit und Ladegerätekapazität so schnell wie möglich geladen werden. Ferner wird die am wenigsten entladene Batterie zuerst geladen, so daß das System 10 dem Anwender wenigstens eine völlig geladene Batterie in einer kurzen Zeit zur Verfügung stellt.
Durch das Vorangehende ist ein Batterieladesystem, das die vorliegende Erfindung verkörpert, offenbart worden. Jedoch können zahlreiche Modifikationen und Substitutionen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Wenn z.B. einer der In dem Unterpogramm 60 spezifizierten Priorisierungsparameter nicht von den Batterien abgetastet werden kann, dann kann sich die Priorisierung auf die anderen Parameter stützen. Das System 10 kann außerdem Batterien oberhalb des optionalen Temperaturbereichs laden. In diesem Fall kann den warmen Batterien eine niedrigere Priorität als den Batterien innnerhalb des optionalen Bereichs zugewiesen werden. Die Erfindung ist deshalb zum Zweck der Veranschaulichung und nicht der Einschränkung offenbart worden, und es sollte auf die folgenden Ansprüche verwiesen werden, um den Umfang der Erfindung zu bestimmen.

Claims

1. Vorrichtung zum Laden einer Mehrzahl von Batterien (22a,22b,22n), die weniger als die volle Ladung aufweisen, mit einer Einrichtung (26, 72), die die Ladezustände einer Mehrzahl von Batterien (22a,22b,22n), einschließlich einer Mehrzahl von im wesentlichen entladenen Batterien, bestimmt, und einer mit der Bestimmungseinrichtung verbundenen Einrichtung (26,74), die jeder der im wesentlichen entladenen Batterien eine Priorität von Priorität eins abwärts basierend wenigstens teilweise auf dem von der Bestimmungseinrichtung bestimmten Ausmaß der Ladezustände zuweist,

einer Ladeeinrichtung (12,16,18), die imstande ist, wenigstens einer der im wesentlichen entladenen Batterien mit Priorität eins einen Impuls (z.B 41a), der höher als der Nennstrom ist und zum Schnelladen während eines vorbestimmten ersten Teilintervalls (39) jedes aus einer Vielzahl von periodischen Intervallen (z.B. 40a) ausreichend ist, zu liefern, bis die Bestimmungseinrichtung feststellt, daß die Batterie der Priorität eins voll geladen oder fast voll geladen ist, dadurch gekennzeichnet, daß

die Ladeeinrichtung (12,16,18) weiter imstande ist, diesen Vorgang zu wiederholen, wenn während des Intervalls (z.B. 40a) nach jedem ersten Teilintervall (39) genügend Zeit für eine Batterie niedrigerer Prioität verbleibt, wobei die Batterien in der Reihenfolge der höchsten Ladung, wie durch die Bestimmungseinrichtung bestimmt, geladen werden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Priorität innerhalb einer Gruppe der im wesentlichen entladenen Batterien auf dem Grad der Ladung der Batterien so basiert, daß der im wesentlichen entladenen Batterie mit der größten Ladung die Priorität eins zugewiesen wird und der im wesentlichen entladenen Batterie mit der niedrigsten Ladung die niedrigste Priorität innerhalb der Gruppe zugewiesen wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß:

a) die Bestimmungsienrichtung weiter wirkt, um die Ladezustände von wenigstens einer fast voll oder voll geladenen Batterie zu bestimmen, und ferner eine Einrichtung (26,84,86) umfaßt, die jeweils bestimmt, ob, unter Berücksichtigung der Lieferung des Impulses (z.B. 41a) an eine der im wesentlichen entladenen Batterien, in jedem jeweiligen der Vielzahl von periodischen Intervallen genügend Zeit vorhanden ist, um einen wesentlich kürzeren Impuls (z.B. 46a), der einen kleineren mittleren Stromnennwert als der ersterwähnte Impuls ergibt, einer fast voll oder voll geladenen Batterie während eines zweiten Teilintervalls (44a) der Vielzahl von periodischen Intervallen (40a), das dem ersten Teilintervall (39) folgt, zur Verfügung zu stellen, und dadurch, daß

b) die Ladeeinrichtung weiter wirkt, um den kürzeren Impuls, wenn genügend Zeit vorhanden ist, der fast voll oder voll geladenen Batterie zuzuführen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß:

a) die wenigstens eine fast voll oder voll geladene Batterie eine anfangs fast voll geladene Batterie umfaßt, und dadurch, daß

b) die Ladeeinrichtung weiter wirkt, um der anfangs fast voll geladenen Batterie in allen N periodischen Intervallen jedes der Vielzahl von periodischen Intervallen (40a,40b,40c), worin N eine Ganzzahl größer als 1 ist, einen der kürzeren Impulse (46,48,50) zu liefern, um der fast voll geladenen Batterie im Durchschnitt einen Ausgleichsstrom zu liefern, um die Ladung der Zellen in der anfangs fast voll geladenen Batterie auszugleichen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die einer im wesentlichen entladenen Batterie gelieferten Impulse und die der anfangs fast voll geladenen Batterle gelieferten kürzeren Impulse etwa die gleiche, im wesentlichen konstante Größe aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß:

a) die wenigstens eine fast voll oder voll geladene Batterie eine anfangs voll geladene Batterie umfaßt, und dadurch, daß

b) die Ladeeinrichtung weiter wirkt, um der anfangs voll geladenen Batterie in N periodischen Intervallen jedes der Vielzahl von periodischen Intervallen, worin N eine Ganzzahl größer als 1 ist, einen der kürzeren Impulse zu liefern, um der voll geladenen Batterie im Durchschnitt einen Erhaltungsstrom zu liefern, um zu verhindern, daß sich die anfangs voll geladene Batterie über der Zeit entlädt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einer im wesentlichen entladenen Batterie gelieferten Impulse und die der anfangs voll geladenen Batterie gelieferten kürzeren Impulse etwa die gleiche, im wesentlichen konstante Größe aufweisen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einer im wesentlichen entladenen Batterie gelieferten Impulse und die der anfangs fast voll geladenen Batterie und der anfangs voll geladenen Batterie gelieferten kürzeren Impulse alle etwa die gleiche, im wesentlichen konstante Größe aufweisen.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladeeinrichtung eine Einrichtung umfaßt, die den im wesentlichen entladenen Batterien und den fast voll oder voll geladenen Batterien etwa 4.5 Ampere Strom während jedes der Impulse liefert, wobei der Nennstrom von wenigstens einer der Batterien 4 Ampere beträgt und die Dauer der den fast voll oder voll geladenen Batterien gelieferten Stromimpulse weniger als oder gleich etwa 100 Millisekunden beträgt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiter umfaßt:

a) eine Einrichtung, die die Temperatur von jeder der Batterien der Mehrzahl abtastet, und

b) eine Einrichtung, die die Batterieprioritäten auf der Basis der Temperatur der Batterien so modifiziert, daß Batterien mit Temperaturen innerhalb eines zum Laden geeigneten vorbestimmten Bereichs eine höhere Priorität als Batterien mit Temperaturen außerhalb dieses Bereichs besitzen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Batterie, die den höchsten Ladezustand unter der Mehrzahl von im wesentlichen entladenen Batterien aufweist und eine Temperatur innerhalb eines zum Laden geeigneten Bereichs zeigt, die Priorität eins zugewiesen wird.

12. Vorichtung nach Anspruch 1 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiter umfaßt:

a) eine Einrichtung, die die Kapazität jeder der Batterien in der Mehrzahl bestimmt, und

b) eine Einrichtung, die die Batterieprioritäten auf der Basis der Batteriekapazität so modifiziert, daß Batterien einer bestimmten Kapazität eine Gruppe mit einer höheren Priorität bilden als Batterien einer anderen Kapazität und daß diese Gruppe von Batterien in der Reihenfolge der höchsten Ladung, wie durch die Bestimmungseinrichtung bestimmt, geladen wird.