-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Überwachung der
Aufladung von wiederaufladbaren Batterien, mit elektrischen Mitteln zur Lieferung
eines Ladestroms an die Batterie, einem ersten, für die Temperatur der Batterie
empfindlichen Temperatursensor, einem zweiten, für die Umgebungstemperatur
empfindlichen Temperatursensor und einer Einrichtung zum Ladestopp am Ende des
von den ersten und zweiten Sensoren überwachten Ladevorgangs.
-
Am Ende des Ladeprozesses für aufladbare Batterien, insbesondere
Nickel-Cadmium-Zellen, treten eine sehr starke Erhöhung des Druckes und eine
Zunahme der Temperatur auf. Wenn der Ladevorgang nicht rechtzeitig angehalten wird,
kann eine schnelle Zerstörung der Batterien durch Überdruck und/oder Überhitzung die
Folge sein. Dieser Temperaturanstieg verläuft am Ende des Ladevorgangs sehr schnell,
wenn die Ladung sich 100% ihrer Kapazität nähert. Man muß den Ladevorgang also
stoppen, wenn der Ladungsgrad sich diesem maximalen Wert nähert.
-
Ein geeignetes Verfahren besteht darin, die Temperatur der Batterie zu
überwachen. Eine Ladeeinrichtung, die diesen Vorgang ausgeführt hat, ist aus
Dokument FR 2 467 501 bekannt, in dem die Temperatursensoren, bei denen es sich um
Dioden oder Thermistoren handelt, nach verschiedenen, auf die Ladestoppeinrichtung
wirkenden Kompensationsgesetzen in einer elektronischen Schaltung aktiv werden.
-
Nun sind die dort verwendeten Temperatursensoren diskrete Bauelemente
mit nicht vernachlässigbarem Raumbedarf. Sie müssen in einer mechanischen Halterung
untergebracht werden, wodurch ihr Wärmekontakt schlecht ist. Dies gilt gleichermaßen
für den Fall, daß diese Bauelemente isoliert verwendet werden.
-
Andererseits sind Batterien und Batterielader sehr gebräuchlich, und diese
Produkte müssen sehr preiswert sein. Das ist bei den genannten diskreten Bauelementen
und ihren Halterungen ganz und gar nicht der Fall. Aufgabe der Erfindung ist es daher,
eine Batterieladeeinrichtung mit Temperatursensoren zu verschaffen, die einen sehr
guten Wärmekontakt mit dem Element haben, dessen Temperatur man bestimmen will,
und die wenig kosten. Diese technische Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die ersten
und zweiten Temperatursensoren auf einer dünnen, flexiblen, thermisch und elektrisch
isolierenden Folie angebracht sind, wobei die dünne Folie mindestens teilweise in einem
Gehäuse zur Aufnahme der wiederaufladbaren Batterie angeordnet ist, damit der erste
Sensor zur Bestimmung der Temperatur der Batterie mit der Batterie in Wärmekontakt
steht, wenn diese in das Gehäuse eingebracht wird, und der zweite Sensor zur
Bestimmung der Temperatur der direkten Umgebung des Gehäuses mit einem Element der
Ladeüberwachungsvorrichtung in Wärmekontakt steht, wobei die Einrichtung zum
Ladestopp das Aufladen der Batterie stoppt, wenn der Unterschied zwischen den von
den beiden Sensoren bestimmten Temperaturen einen vorgegebenen Wert erreicht hat.
-
Die Sensoren können im Siebdruckverfahren hergestellte Widerstände
sein. Sie können in einer Wheatstone-Brückenschaltung angeordnet sein.
-
Nach einer ersten Ausführungsform sind die beiden Sensoren mittels
Siebdruck auf derselben Seite der dünnen Folie aufgebracht. Die dünne flexible Folie
kann in sich gefaltet sein. In diesem letzten Fall kann jeder Sensor von der ihn nicht
betreffenden Wärmequelle um zweimal die Dicke der dünnen Folie isoliert sein. Nach
einer zweiten Ausführungsform können die beiden Sensoren jeweils auf eine der Seiten
der dünnen flexiblen Folie aufgedruckt sein. In diesem Fall ist jeder Sensor von der ihn
nicht betreffenden Wärmequelle um eine einfache Dicke der dünnen Folie isoliert. Der
Siebdruck ist dann in zwei Gängen erfolgt.
-
Wenn sie als Wheatstone-Brücke geschaltet sind, bilden die beiden
Sensoren ein Differentialsystem, das auf verschiedene Weise genutzt werden kann, um
das Ende des Aufladens einer Nickel-Cadmium-Batterie anhand der Wärmeeigenschaften
des Batteriebehälters und des Verhaltens der Batterie für eine gegebene
Ladegeschwindigkeit zu bestimmen. Der Typ der verwendeten elektronischen Schaltung hängt davon
ab, wie die Messung des Temperaturunterschiedes genutzt wird.
-
In einem ersten, einem einfachen elektronischen Aufbau entsprechenden
Verfahren stoppt man den Ladevorgang, wenn die Temperatur der Batterie die der
Umgebungstemperatur um einen gegebenen Wert dT übersteigt. Dieser Wert dT wird je
nach Art des thermomechanischen Aufbaus (Gehäuse, Behälter, ...), ja nach Art der
Batterie, der Ladegeschwindigkeit usw. festgelegt.
-
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten, nicht
einschränkenden Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
-
Figur 1 die Kurven der Temperatur- und Druckerhöhung für eine Nickel-
Cadmium-Batterie als Funktion des Ladungsgrads in Prozent,
-
Figur 2 eine Anordnung der auf dem flexiblen Träger angebrachten
Sensoren nach einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
-
Figur 3 eine weitere Anordnung nach einer zweiten Ausführungsform,
-
Figur 4 eine weitere Anordnung nach einer dritten Ausführungsform,
-
Figur 5 ein elektrisches Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen
Ladeeinrichtung für wiederaufladbare Batterien,
-
Figur 6 ein Schema für die Anordnung der beiden Sensoren in
Wheatstone-Brückenschaltung,
-
Figur 7 ein elektrisches Schaltbild analog dem aus Figur 5 zusammen mit
der Anordnung nach Figur 6.
-
In Figur 1 sind zwei Kurven 11, 12 für den Temperaturanstieg einer
Batterie für Ladeströme von 0,3 C bzw. 1 C wiedergegeben, wobei C den
Batterieladestrom darstellt, der der Nennkapazität der Batterie in Amperestunden entspricht. Die
Kurve 11 zeigt an, daß der Temperaturanstieg klein bleibt und im wesentlichen
konstant, solange die Ladung der Batterie sich dem Ladungsgrad von 100% nicht
nähert. Von ungefähr 100% Aufladung an wird die Temperaturzunahme viel größer, die
Kurve weist dann einen Wendepunkt auf, um anschließend weniger schnell anzusteigen.
Diese Temperaturzunahme ist darauf zurückzuführen, daß, wenn der Oxidationsprozeß
des Nickelhydroxids beendet und die Aufladung vollständig ist, der Ladestrom
ausschließlich zur Erzeugung von Sauerstoff an der positiven Elektrode verwendet wird.
Andererseits gibt es eine elektrochemische Reaktion an der Kathode, die dem an der
Anode ausgetretenen Sauerstoff ermöglicht, vollständig oder teilweise zu rekombinieren,
wobei Wärme frei wird. Die Kurve 12 stellt die gleichen Mechanismen dar, aber unter
Berücksichtigung eines viel höheren Ladestroms, 1 C, erfolgt der Temperaturanstieg
viel schneller. In diesem Fall ist der Wendepunkt verschoben und seine Lage hängt von
den Abmessungen und den Wärmeeigenschaften der Batterie und ihrer Umgebung ab.
Bei weiterer Temperaturerhöhung kann eine Zerstörung der Batterie auftreten. Kurve 13
stellt die Spannungsschwankungen an der Batterie im Verlauf der Aufladung dar. Es
zeigt sich, daß die Temperaturveränderungen viel signifikanter sind, wenn der
Ladungsgrad ungefähr 100% beträgt. Diese Temperaturanstiegskurven 11, 12 sind für eine
Umgebungstemperatur von 25 ºC dargestellt. Sie bleiben im wesentlichen vergleichbar,
wenn die Umgebungstemperatur unter üblichen Betriebsbedingungen irgendwo zwischen
einer niedrigen und einer hohen Temperatur liegt. Die erfindungsgemäßen
Temperatursensoren erlauben es daher, das Aufladen der Batterie im Differentialbetrieb an
verschiedene Umgebungstemperaturen anzupassen.
-
Figur 2 gibt die Anordnung der Sensoren 21, 22 der dünnen flexiblen
Folie 23 in bezug auf die Batterie 24 und das Batteriegehäuse 25 wieder. Die Dicken
der Sensoren 21, 22 und der dünnen flexiblen Folie 23 sind in der Figur absichtlich
übertrieben. Die dünne flexible Folie kann aus Kaptonen, Polyester, Mylar oder
anderen Polymeren hergestellt sein. Die Sensoren 21, 22 sind auf der gleichen Seite der
dünnen flexiblen Folie mittels Siebdruck aufgebrachte Widerstände. Der Durchmesser
der Batterie 24 und der des Gehäuses 25 sind so festgelegt, daß die mit ihrem Sensor 21
versehene dünne flexible Folie mit geringer Reibung in den Raum zwischen der Batterie
24 und dem Gehäuse 25 eingebracht wird. Auf diese Weise wird der Sensor 21 in
Wärmekontakt mit der Batterie 24 gebracht. Das andere Ende der dünnen flexiblen
Folie 23 trägt auf derselben Seite den zweiten Sensor 22. Es tritt aus dem Raum aus,
damit der Sensor 22 mit Hilfe des - in der Figur nicht abgebildeten - Behälters der
Ladeeinrichtung an der äußeren Wandung des Gehäuses 25 angebracht werden kann.
-
Figur 3 zeigt eine andere Anordnung der Elemente. Der Unterschied mit
der Anordnung aus Figur 2 liegt darin, daß der Sensor 22 auf der zweiten Seite der
dünnen flexiblen Folie 23 angebracht ist. Auf diese Weise ist der Sensor 22 mit dem
Behälter der Ladeeinrichtung in Wärmekontakt.
-
Figur 4 zeigt eine andere Anordnung der Elemente. In diesem Fall sind
die beiden Sensoren 21, 22 mittels Siebdruck auf der gleichen Seite der dünnen
flexiblen Folie 23 angebracht. Wie zuvor, ist der Sensor 21 mit der Batterie 24 in
Kontakt, aber jetzt ist der Sensor 22 mit der Innenfläche des Gehäuses 25 in Kontakt.
Daher ist der Raum zwischen dem Gehäuse 25 und der Batterie 24 so bestimmt, daß die
dünne flexible Folie in sich gefaltet eingebracht werden kann. Die Faltung 26 kann
zugänglich bleiben, um das Montieren und Demontieren der Elemente zu erleichtern.
Entsprechend den Figuren 2 und 3 kann der auf der gefalteten Folie angebrachte Sensor
22 außen am Gehäuse liegen und entweder die Temperatur des Gehäuses oder die
Temperatur des Behälters der Ladeeinrichtung bestimmen.
-
Die Figuren 2 und 4 geben eine Losung an, bei der zwei Sensoren auf
derselben Seite der dünnen flexiblen Folie angeordnet sind. Dies ist für die Realisierung
im Siebdruckverfahren ein Vorteil. Im Fall von Figur 3, wo die Sensoren auf
verschiedenen
Seiten angeordnet sind, kann es je nach Entwurf der Verbindungen
erforderlich sein, beispielsweise Bohrungen für Verbindungen quer durch die dünne flexible
Folie vorzusehen. Da die dünne flexible Folie thermisch und elektrisch isoliert ist, ist
jeder Sensor also von dem Element, dessen Temperatur er nicht messen soll, thermisch
isoliert.
-
In den Figuren 2, 3 und 4 werden eine Batterie und ein Gehäuse mit
kreisförmigem Durchmesser dargestellt, aber ein anderer Querschnitt ist auch möglich.
-
Figur 5 gibt ein elektrisches Schaltbild der erfindungsgemäßen
Batterieladeeinrichtung wieder. Die beiden Sensoren werden beispielsweise jeder von einem
temperaturabhängigen Widerstand gebildet. Jeder an eine elektrische Versorgung
angeschlossene Widerstand ist mit einem Operationsverstärker 51 verbunden, der ein
Temperaturunterschiedssignal liefert, das einem Komparator 52 zugeführt wird. Der
zweite Eingang des Komparators ist mit einem gemeinsamen Punkt einer
Widerstandsteilerbrücke 53, 54 verbunden. Der Komparator 52 erregt die Spule 55 eines Relais 56,
dessen Arbeitskontakt 57 auf die elektrischen Mittel 58 zur Lieferung des Ladestroms
wirkt, die die Batterie 24 speisen. Die Widerstandsteilerbrücke 53, 54 legt eine
elektrische Spannung fest, die den vorgebenen Wert repräsentiert, bei dem man den
Ladestrom verändern möchte. Dieser vorgegebene Wert wird beispielsweise mit Hilfe
von Temperaturanstiegskurven, wie die Kurven 11, 12 von Figur 1, bestimmt. Je nach
den Abmessungen, Wärmekapazitäten, Wärmeänderungen der Batterie 24, des Gehäuses
25 sowie des Behälters der Ladeeinrichtung, ist das thermische Gleichgewicht mit der
Umgebung für jede Einrichtung spezifisch. Daher stellt man für verschiedene
Ladeströme unterschiedliche Temperaturanstiegskurven für die Batterie in ihrem Gehäuse und in
ihrem Behälter auf. Je nach Wunsch des Benutzers wird eine mehr oder weniger
schnelle Aufladung angestrebt, was den gewünschten Ladestrom bestimmt. Der
Temperaturanstieg für eine Aufladung von 100% kann dann anhand der Kurven
bestimmt werden und den angestrebten Temperaturunterschied liefern, um die
Widerstandsteilerbrücke 53, 54 von Figur 5 festzulegen. Dieser Unterschied beträgt
beispielsweise 12 º für einen Strom von 1 C in Figur 1. Der Unterschied in bezug auf die so
bestimmte Umgebungstemperatur legt beispielsweise den vorgebenen Wert fest.
-
Vorzugsweise benutzt die Erfindung Sensoren 21, 22, die jeweils aus zwei
Widerständen gebildet werden, deren Werte sich in erheblicher Weise mit der
Temperatur ändern, wobei das Ganze in Form einer Wheatstone-Brücke geschaltet wird. Figur 6
zeigt einen aus den Widerständen R1 und R3 gebildeten Sensor 21 und einen aus den
Widerständen R2 und R4 gebildeten Sensor 22. Diese Widerstände sind in der
Reihenfolge R1, R2, R3, R4 in Reihe in einer Schieife geschaltet. Die so erhaltene
Wheatstone-Brücke wird an einer Diagonale gespeist und liefert ein
Ungleichgewichtssignal e an der anderen Diagonalen. Es ist möglich, ein Potentiometer R5 zu
verwenden, um kleine Widerstandsschwankungen infolge der Realisierung oder Alterung zu
berücksichtigen, und so die Brücke bei Abwesenheit eines Wärmeeffektes abzugleichen.
Die vier Widerstände R1, R2, R3 und R4 sind auf der dünnen flexiblen Folie 23
angeordnet.
-
Wenn R1 und R3 die mit der Batterie in Kontäkt stehenden Widerstände
und R2 und R4 die mit der Umgebungstemperatur in Kontakt stehenden Widerstände
sind, dann erhält man ein Signal:
wobei v die Versorgungsspannung der Wheatstone-Brücke ist. Ein Brückenabgleich
kann am Anfang der Messung ausgeführt werden. Die Widerstände ändern sich mit der
Temperatur. Der Einfachheit halber können diese Änderungen als linear betrachtet
werden, in der Form dR/R = aT. Wenn außerdem die Widerstände R1 und R3
einerseits und R2 und R4 andererseits sich in gleicher Weise ändern, dann gilt:
-
e = V/4(2aT&sub1; - 2aT&sub2;)
-
gleich
-
e =V/2a(T&sub1; - T&sub2;)
-
Diese Gleichung gibt an, daß der Sensor ein Differentialsensor ist, der ein Signal in
Abhängigkeit von dem Unterschied zwischen der Temperatur der Batterie und der
Umgebungstemperatur liefert. Die Entwicklung des Signals als Funktion der Ladezeit
hängt von den Wärmeeigenschaften des Behälters, der Ladegeschwindigkeit usw. ab.
Wenn alle übrigen Bedingungen gleich sind, wird die Bestimmung eines Endes der
Aufladung bei einer Differentialtemperaturmessung viel weniger von der
Umgebungstemperatur beeinflußt.
-
Das Schema von Figur 6 kann in dem Schaltbild von Figur 5 verwendet
werden, um das von Figur 7 zu erhalten. Die Spannung des Ungleichgewichts der
Brücke wird einem Verstärker 59 zugeführt, der ein Signal an den Komparator 52
liefert. Statt das Potentiometer R5 von Figur 6 zu verwenden, kann man in Figur 7 dem
Verstärker 59 ein Kompensationssignal 60 zuführen. Die anderen Elemente sind mit
denen aus Figur 5 identisch.
-
Die Erfindung wurde unter Verwendung eines, von den
Temperaturanstiegskurven der Batterie ausgehend, gewählten vorgegebenen Wertes beschrieben,
der durch Zuordnung eines festen Wertes zuvor festgelegt wurde. Es ist auch möglich,
die erfindungsgemäße Messung des Temperaturunterschied nach einem anderen
Kriterium durchzuführen. So wurde bei den Kurven von Figur 1 festgestellt, daß die
Temperaturanstiegskurve einen Wendepunkt aufweist, wenn der Ladungsgrad nahe
100% liegt. Es ist daher möglich, den erfindungsgemäß bestimmten
Temperaturunterschied auszunutzen, indem man diesen Wendepunkt bestimmt und die Aufladung der
Batterie stoppt, wenn dieser Wendepunkt erreicht ist. Dies kann beispielsweise mit Hilfe
eines Mikroprozessors geschehen, der in Echtzeit unter echten Betriebsbedingungen den
in Figur 1 dargestellten Temperaturunterschied bestimmt und die Schwankungen dieses
Unterschiedes in regelmäßigen Zeitabständen festlegt.
-
Wenn die Ladeeinrichtung zwei Batterien enthält, ist es möglich, den
Widerstand R1 an der einen Batterie und den Widerstand R3 an der anderen Batterie
anzubringen, damit die Ladeüberwachungsvorrichtung an deijenigen Batterie anspricht,
die sich am schnellsten erwarmt.
-
Andererseits kann die Ladestoppeinrichtung mittels einer Ein/Aus-
Steuerung oder einer allmählichen Abnahme des Ladestroms betrieben werden. Ein
Mikroprozessor kann die verschiedenen Abnahmen des Ladestroms automatisch liefern
und die Kompensationsspannung zur Kompensation der Signalschwankungen infolge von
Alterung der Widerstände zuführen.