DE4027146A1 - Verfahren zum laden von batterien und schaltung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum laden von batterien und schaltung zur durchfuehrung des verfahrens

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DE4027146A1
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44—Methods for charging or discharging
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/00712—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters
    • H02J7/007182—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery voltage
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden von Batterien und eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, zur kurzfristigen Ladung von Batterien aus beliebigem Ladezustand ein Ver­ fahren und eine Schaltung zur Durchführung des Verfahrens so auszugestalten, daß die Spannungsabfälle an Leitungen, die Alterung und die Erwärmung der Batterie eliminiert werden.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung der Aufgabe bezüglich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und bezüglich der Schaltung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachstehend am Beispiel der in den Zeich­ nungen dargestellten Abbildungen näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 das Schaltbild des Ladegeräts zur Durchführung des Verfahrens in einer vereinfachten Darstellung,
Fig. 2 die Ladungsabschnitte in einem Diagramm,
Fig. 3 den Spannungsverlauf während der Ladungsabschnitte nach Fig. 2.
Die Schaltung 10 zur Durchführung des Verfahrens zum Laden von Batterien 3 weist eine Regeleinrichtung 1 mit einem Mikroprozessor auf. Die Regeleinrichtung 1 ist zwischen dem Ladestromanschluß 2 und der jeweiligen Batterie 3 angeord­ net. Die Regeleinrichtung 1 weist jeweils eine Batterie­ strommeßeinrichtung 6 und eine Batteriespannungsmeßeinrich­ tung 7 auf, die mit dem Batterieanschluß 4, 5 verbunden sind. Jeder mit der Batteriestrommeßeinrichtung 6 und der Batteriespannungsmeßeinrichtung 7 verbundenen Anschlußlei­ tung 13, 14, 15, 16 ist in der Regeleinrichtung 1 ein Analog/Digitalwandler AD zugeordnet. Zur Steuerung des je­ weiligen Ladestroms ist ein Transistor 8 vorgesehen, der von der Regeleinrichtung 1 in Abhängigkeit von den Meßwerten der Batteriestrommeßeinrichtung 6 und der Batteriespannungsmeß­ einrichtungen 7 angesteuert wird. Hierzu ist in der Regel­ einrichtung 1 ein Digital/Analogwandler DA vorgesehen, an den die Steuerleitung 17 des Transistors 8 angeschlossen ist. Die Ladestromanschlußleitungen 18, 19 sind mittels Leitungen 20, 21 mit den Nennspannungsanschlüssen Vcc, Vdd der Regeleinrichtung 1 verbunden.
Mit dem nachfolgend beschriebenen Verfahren können z. B. NiCad-Batterien je nach Typ und Hersteller in bis zu 7 Mi­ nuten sicher aus jedem beliebigen Ladezustand heraus auf 100% ihrer Nennkapazität geladen werden.
Die grundsätzliche Überlegung dieses Verfahrens zum Laden von Batterien ist die schnellstmögliche Ladung von Batte­ rien, wobei Spannungsabfälle an Leitungen, der Innenwider­ stand, die Alterung und die Erwärmung der Batterien elimi­ niert werden.
Eine klare Aussage über den Ladezustand gibt der chemische Zustand der Batterie, welcher sich in der Leerlaufspannung der Zellen wiederspiegelt.
Bei Laden einer Batterie tritt normalerweise eine Erwärmung durch den Innenwiderstand der Zellen ein. Wird der Ladestrom sehr groß gewählt, so setzt ein endothermer Prozess ein, welcher die genannte Erwärmung weitgehend kompensiert. Selbst eine erhitzte Batterie kühlt sich bei dieser Schnell­ ladung ab. Erst gegen Ende der Hauptladung tritt eine Erwär­ mung der Zellen auf. Diese wird durch Messen der Ruhespan­ nung U1 sicher erkannt. Zu diesem Zeitpunkt hat z. B. eine NiCad-Batterie 80% ihrer Nennkapazität erreicht. Um eine weitere Erwärmung der Batterie zu vermeiden, wird mit der Nachladung weitergeladen.
Der Nachladung ist eine Erhaltungsladung nachgeschaltet um die Batterie auch über lange Zeiträume geladen zu halten.
Der normale Ladungsvorgang besteht somit aus der Testladung 9, Hauptladung 10, Nachladung 11 und Erhaltungsladung 12 (Fig. 2). Hierdurch werden folgende Vorteile erzielt
  • - extrem kurze Ladezeiten z. B. 100% der Batteriekapa­ zität in 7 Minuten
  • - zuverlässige und frühzeitige Erkennung der Gasung
  • - Erkennen von Teilladezuständen (z. B. 80%)
  • - Abschaltung der Ladung bei Erreichen von 100% der Kapazität im weiten Temperaturbereich
  • - keine Sense-Leitungen zur Messung der Batteriespannung erforderlich
  • - automatische Erkennung der Zellenzahl
  • - keine schädigende Batterietemperaturerhöhung
  • - Ladung auch bei Batterietemperaturen im Grenzbereich möglich.
Im Rahmen der Testladung 9 wird die Prüfroutine durchge­ führt, durch die die Batterietemperatur und der polrichtige Anschluß der Batterie geprüft, eine Prüfladung der Batterie für z. B. 30 Sek. durchgeführt und die Anzahl der Zellen errechnet wird.
Die der Prüfroutine folgende Hauptladung erfolgt in Zyklen. Der Zyklus setzt sich aus Teilzyklen t1(Laden) und t2 (Messen) zusammen. Der Teilzyklus t1 kann z. B. eine Sekunde dauern, während für den Teilzyklus t2 z. B. zwanzig mS aus­ reichend sein können. Während des Aufladezyklus t1 wird der Ladestrom zu Beginn der Zeit t1 eingeschaltet und am Ende der Zeit t1 ausgeschaltet.
Während des Meßzyklus t2 wird die Spannung U1 am Ende der Zeit t2 gemessen und mit der Referenzspannung Uref ver­ glichen. Wenn U1 kleiner als Uref ist, wird der nächste Zyklus gestartet. Wenn U1 größer oder gleich Uref ist, wird auf die Nachladung umgeschaltet.
Die Batteriespannung wird also im stromlosen Zustand gemes­ sen, so daß Spannungsabfälle auf den Batterieleitungen und Batteriekontakten sowie der Innenwiderstand der Batterie 3 eliminiert sind.
Die Referenzspannung Uref ist abhängig von der Temperatur und beträgt bei 20°C z. B. 1,50 V/Zelle x Zellenzahl und wird mit z. B. -4 V/°C kompensiert. Die Batterie 3 kann dennoch ohne NTC-Widerstand in einem eingeschränkten Tempe­ raturbereich geladen werden.
Die Nachladung 11 ist zeitbegrenzt und erfolgt unter be­ stimmten Voraussetzungen wie
  • - nur wenn die Batterie während der Hauptladung
  • - nicht die zulässige Temperatur (z. B. 60°C) über­ schritten hat
  • - die eingeladene Kapazität die Nennkapazität nicht überschritten
  • - die Ruhespannung U1 nicht wieder abgesunken ist (-delta U)
  • - nach einer Wartezeit
  • - für eine konstante Zeit mit dem gleichen oder einem reduzierten Nachladestrom
  • - in zeitlicher Abhängigkeit von der vorangegangenen Hauptladezeit (Nachladezeit z. B. 20% der Hauptladezeit) mit gleichem oder einem reduzierten Nachladestrom.
Es ist möglich, die verschiedenen Varianten der Nachladung 11 miteinander je nach Anforderung zu kombinieren.
Die Erhaltungsladung 12 erfolgt
  • - wenn die vorangegangene Nachladung erfolgt ist
  • - mit einer Wartezeit nach der Nachladung
  • - dauernd mit einem reduzierten Nachladestrom
  • - in einem festen Puls/Pausen-Verhältnis mit dem gleichen oder einem reduzierten Nachladestrom
  • - in einem von der Batteriepausenspannung U1 abhängigen Puls/Pausenverhältnis.
Das beschriebene Ladeverfahren ist nicht auf die Ladung von NiCad-Batterien beschränkt sondern kann auch zur Ladung anderer Batteriearten eingesetzt werden.

Claims (9)

1. Verfahren zum Laden von Batterien, dadurch gekennzeich­ net, daß zunächst in einer Prüfroutine die Batterietempe­ ratur, der polrichtige Anschluß der Batterie und die tatsächliche Ladung der Batterie gemessen und die Anzahl der Zellen aus der Batterieleerlaufspannung ermittelt wird, daß bei einem Unterschreiten der Soll-Leerlauf­ spannung in sich wiederholender Weise der Ladestrom für einen vorbestimmten Zeitraum eingeschaltet und danach die Batteriespannung gemessen, daß bei einer Ermittlung einer von der Erwärmung der Batteriezellen vorbestimmten Ruhe­ spannung über einen vorbestimmten Zeitraum nachgeladen wird, bis die eingeladene Kapazität die Nennkapazität erreicht hat und daß dann in zeitlichem Abstand von der Nachladung eine Erhaltungsladung zur Aufrechterhaltung der Batteriekapazität durchgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß impulsartig und zeitbegrenzt mit verminderter Stromstärke nachgeladen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachladung eingeschaltet wird, wenn die zulässige Zellentemperatur unterschritten wird oder die eingeladene Kapazität die Nennkapazität nicht überschritten hat oder die Ruhespannung wieder abgesunken ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß nach einer vorgegebenen Wartezeit nachgeladen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für eine konstante Zeit mit gegenüber der Ladestromstärke gleicher Stromstärke oder reduzierter Stromstärke nachge­ laden wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhaltungsladung konstant mit gegenüber der Nachlade­ stromstärke verminderter Stromstärke durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhaltungsladung intermittierend mit gegenüber der Nachladestromstärke gleicher oder verminderter Strom­ stärke durchgeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Puls/Pausenverhältnis des für die Erhaltungsladung bestimmten Stroms in Abhängigkeit von der Ruhespannung U1 der Batterie gewählt wird.
9. Schaltung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung (1) mit einem Mikroprozessor, die zwischen dem Ladestromanschluß (2) und der Batterie (3) angeordnet ist, die jeweils eine mit dem Batterieanschluß (4, 5) verbundene Batterie­ strommeßeinrichtung (6) und Batteriespannungsmeßein­ richtung (7) aufweist und mittels der der Ladestrom über einen Transistor (8) steuerbar ist.
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