DE4136122A1

DE4136122A1 - Verfahren zum schnelladen von gasdichten akkumulatoren, insbesondere nicd- oder nih-akkumulatoren

Info

Publication number: DE4136122A1
Application number: DE4136122A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dipl.-Ing. 7989 Amtzell De Sorg
Original assignee: Dipl-Ing W Sorg 7987 Weingarten De GmbH
Current assignee: Dipl-Ing W Sorg 7987 Weingarten De GmbH
Priority date: 1991-11-02
Filing date: 1991-11-02
Publication date: 1993-05-06

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schnelladen von gasdichten Akkumulatoren, insbesondere Nickel-Cadmium- oder Nickel-Hydrid-Akkumulatoren.

Der Geschwindigkeit der Aufladung gasdichter Zellen sind Grenzen gesetzt durch die chemischen Reaktionsmechanismen, die zu hohen Drücken und Temperaturen führen können. Es gibt jedoch viele Anwendungsfälle, bei denen kurze und extrem kurze Ladezeiten wünschenswert sind. Dabei spricht man von Schnelladung, wenn die Ladezeit weniger als etwa 1 Stunde beträgt.

Ladegeräte, die nach Schnelladeverfahren arbeiten, sind z. B. aus DE-OS 39 02 368 sowie der entsprechenden Zusatzanmeldung DE-OS 39 06 440 bekannt. Danach wird vor Beginn des Ladevorgangs ein Belastungstest durchgeführt und die Temperatur sowie die Spannung des Akkumulators werden während des Ladevorgangs überwacht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ladeverfahren anzugeben, mit dem der Akkumulator ohne Überschreiten seiner herstellungsbedingten typischen Parameter in möglichst kurzer Zeit auf eine möglichst hohe entnehmbare Lademenge aufgeladen werden kann und bei dem eine unmittelbare, d. h. mit Hilfe eines Sensors durchgeführte Messung der Temperatur nicht zwingend erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren gelöst. Ein gepulster Ladestrom hat grundsätzlich den Vorteil, schonender zu laden und die chemisch aktive Oberfläche der Zellen bzw. deren Kristallstruktur im Sinne einer höheren Kapazität zu beeinflussen. Die Besonderheit des Verfahrens besteht darin, daß es adaptiv ist in dem Sinne, daß der pulsförmige Ladestrom sequentiell und unter Berücksichtigung der Grenzwerte an den jeweiligen Zustand des Akkumulators angepaßt wird. Die Ladestromstärke kann ohne Schädigung der Zellen verhältnismäßig hoch sein.

Nach diesem Grundgedanken wird zunächst mit einem verhältnismäßig hohen Ladestrom geladen, dessen Mittelwert z. B. 6 Ampere betragen kann. Der Stromanfangswert wird nach Messung der Akkumulatorspannung, des Innenwiderstandes und des momentanen Ladefaktors festgelegt. Die Bestimmung des Innenwiderstandes erfolgt über mehrere kurze Lade- und Entladevorgänge, wobei der letztlich gewonnene Meßwert einen Mittelwert aus mehreren Einzelmessungen bildet. Der momentane Ladefaktor ist wie folgt definiert: Man lädt ausgehend von einer bestimmten Akkumulatorspannung eine ganz bestimmte Ladungsmenge ein und entlädt dann wieder so lange, bis der zuvor gemessene Spannungswert wieder erreicht ist. Das Verhältnis der eingeladenen Ladungsmenge zu der entnommenen Ladungsmenge ist der momentane Ladefaktor. Die das Puls- Pausen-Verhältnis im einzelnen festlegende Funktion der genannten Bestimmungsgrößen ergibt sich aus entsprechenden systematischen Versuchen.

Infolge hoher Ladeströme steigt die Spannung des Akkumulators an. In jeder Ladepause wird die Spannung gemessen und mit einem der maximalen Zellenspannung (z. B. 1,6 V) entsprechenden Maximalwert verglichen. Sobald dieser Maximalwert erreicht ist, erfolgt eine Neubestimmung des Puls-Pausen-Verhältnisses. Wiederum wird der Innenwiderstand und der momentane Ladefaktor bestimmt und daraus ergeben sich entsprechend schmälere Impulse bzw. ein kleinerer Ladestrom- Mittelwert. Die Anpassung kann mehrfach erfolgen.

Wenn sich der Ladevorgang jedoch dem Vollade-Zustand nähert, verringert sich die Steigung der Ladekurve. Dieser Umstand wird zur Beendigung des Ladevorgangs herangezogen. Praktisch geschieht dies durch Vergleichen des ebenfalls erfaßten Spannungsgradienten mit einem bestimmten Minimalwert, dessen Erreichen prinzipiell das Ende des Ladevorgangs bedeutet. Um die unvermeidliche Selbstentladung des Akkumulators in der Zeit bis zu seiner Wiederverwendung zu kompensieren, werden lediglich noch kleine Erhaltungsladeimpulse eingegeben, die vorzugsweise alle die gleiche Pulsweite haben und deren zeitlicher Abstand nach Bedarf gewählt wird.

Eine Verbesserung des Ladeverfahrens besteht ferner darin, daß nach dem Erreichen des Scheitelpunkts der Ladespannungskurve und vor dem Beginn der Erhaltungsladung eine definierte sogenannte Ausgleichsladungsmenge nachgeladen wird, die vorzugsweise ebenfalls in einzelne Impulse aufgelöst ist. Damit wird erreicht, daß die entnehmbare Ladungsmenge noch einmal, z. B. um 5% bezogen auf die Nennkapazität, angehoben wird. Die Ausgleichsladungsmenge bestimmt sich wiederum nach den zuvor gemessenen bzw. berechneten Parametern Ladespannung, Innenwiderstand und momentaner Ladefaktor.

Um den Ladevorgang voll selbsttätig zu machen, so daß ohne Schaden für das Ladegerät auch voll oder teilweise geladene Akkumulatoren oder defekte Akkumulatoren angeschlossen werden können, werden am Anfang des Ladeprogramms verschiedene Prüfschritte eingeschaltet.

Hierzu wird vorgeschlagen, daß nach dem Anklemmen des Akkumulators an das Ladegerät zunächst eine Identifizierung der Pole und sodann der polrichtige Anschluß selbsttätig durchgeführt wird. Es ist ein Polumschalter vorgesehen, der eine Mittelstellung hat, so daß der Akkumulator zunächst noch vom Ladegerät getrennt, jedoch mit einem Spannungsmesser verbunden ist, der die Polung erkennt und ein entsprechendes Signal an den Polumschalter gibt.

Sodann wird geprüft, ob die gemessene Spannung im Bereich der eingegebenen Akkumulator-Nennspannung liegt. Ist die Spannung höher als ein oberer Grenzwert, der vorzugsweise mit z. B. 1,4 V pro Zelle anzusetzen ist, so wird das Ladeprogramm gestoppt, denn in diesem Fall handelt es sich vermutlich um einen Fehler bei der Eingabe der Nennspannung.

Ferner wird die Spannung zu Beginn des Ladevorgangs mit einem bestimmten unteren Grenzwert von z. B. 0,9 V je Zelle verglichen, der so tief ist, daß auf einen Defekt am Akkumulator oder auf eine extreme Tiefentladung geschlossen werden muß. In diesem Fall wird der Akkumulator einer kurzen Diagnoseladung unterzogen, wobei das Änderungsverhalten der Ladespannung untersucht wird. Ist der Akkumulator tatsächlich defekt, so wird das Ladeprogramm gestoppt, ist er jedoch ladefähig, so beginnt der Ladevorgang wie üblich.

Mit dem beschriebenen Verfahren wird ein schädliches Überladen im Normalfall vermieden. Um in dieser Hinsicht eine noch höhere Sicherheit zu geben, wird eine laufende Überwachung der Gesamtladungsmenge vorgeschlagen. Bekanntlich beträgt der Gesamtladefaktor von NiCd- und NiH-Zellen 1,4. Das bedeutet, daß wenn man einem Akkumulator die der Nennkapazität entsprechende Ladungsmenge entnehmen will, vorher normalerweise die 1,4fache Ladungsmenge eingeladen werden muß. Die erwähnte Überwachung wird praktisch so durchgeführt, daß während des Ladevorgangs die Summe der Teilladungsmengen laufend auf addiert und in jeder Pause mit einem Grenzwert verglichen wird, der gleich dem 1,4fachen der Nennkapazität ist. Sollte der Fall eintreten, daß die Gesamtladungsmenge diesen Grenzwert überschreitet, so wird wie beim Erreichen des Spannungsscheitelwerts der normale Ladevorgang beendet und nach dem eventuellen Einladen einer Ausgleichsladungsmenge auf Erhaltungsladung übergegangen.

Weiterhin kann aus Sicherheitserwägungen die Akkumulatortemperatur überwacht werden. Dies ist zwar im Wege der unmittelbaren Temperaturmessung mit Hilfe von Sensoren bekannt. Demgegenüber ist es vorteilhaft, in Weiterbildung der Erfindung aus gespeicherten Erfahrungswerten einen Phantom-Temperatur-Kennwert zu ermitteln und auf Überschreitung eines Maximalwerts zu überwachen. Dieser Kennwert kann aus charakteristischen Temperaturkurven in Abhängigkeit der Spannung, des Innenwiderstandes und des momentanen Ladefaktors ermittelt werden.

Das beschriebene Ladeverfahren eignet sich für eine Ladung aus jedem beliebigen Ladezustand des Akkumulators heraus unter Beachtung und Einhaltung aller wichtigen Parameter. Vor allem aber wird die Ladezeit auf bis zu 15 min abgekürzt, wobei trotzdem eine entnehmbare Ladungsmenge von 95% ±5% bezogen auf die Nennkapazität erreicht wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Im einzelnen zeigt

AFig. 1 ein vereinfachtes Flußdiagramm des Ladeverfahrens,

Fig. 2 eine typische Ladespannungskurve und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der entsprechenden Ladestromimpulse.

Das Ladeprogramm gemäß Fig. 1 beginnt bei 1 mit einem Eigentest der Hardware und der Eingabe der Nennkapazität und der Nennspannung oder Zellenzahl des betreffenden Akkumulators. Es folgt die erwähnte Anschlußprüfung 2 auf richtigen Polanschluß des Akkumulators sowie die Spannungsmessung 3. Danach folgt ein Vergleich 4 der Spannung U mit einem oberen Grenzwert U_o von im Beispiel 1,4 V je Zelle. Ist der Meßwert höher, so wird das als Anzeichen dafür gewertet, daß die Eingabe der Nennspannung falsch war. Das Ladeprogramm wird demzufolge gestoppt und eine entsprechende optische oder akustische Anzeige 5 gegeben.

Sodann erfolgt ein weiterer Vergleich 6 der Spannung U mit einem unteren Grenzwert U_u = 0,9 V je Zelle. Befindet sich die Spannung unter diesem Grenzwert, so muß festgestellt werden, ob der Akkumulator defekt oder nur tiefentladen ist. Dies wird erreicht durch einen kurzen Ladevorgang mit geringer Stromstärke zum Zwecke der Diagnose 7 und nachfolgender Entscheidung 8. Hat sich die Ladespannung in außergewöhnlicher Weise entwickelt, so lautet die Entscheidung, daß der Akku defekt ist. Das Ladeprogramm wird gestoppt und eine diesem Sachverhalt entsprechende Anzeige 9 ausgegeben.

Erweist sich der Akkumulator dagegen als aufnahmefähig für Ladung, so wird jetzt im Programm fortgefahren mit der Messung 10 des Innenwiderstandes R_i und der Berechnung 11 des momentanen Ladefaktors L_f. In Abhängigkeit von diesen Größen wird das anfängliche Puls-Pausen-Verhältnis und damit der zeitliche Mittelwert des Ladestroms bestimmt. Der Programmabschnitt 12 umfaßt ,das Einladen eines Impulses.

Danach erfolgt in der Pause eine erneute Messung der Spannung U und die Prüfung zweier Bedingungen, nämlich der Bedingung 14

U <U_max

und der Bedingung 15

Zunächst werden diese Bedingungen noch nicht erfüllt sein. Der Programmpfad gemäß Fig. 1 führt wieder zurück zum Programmabschnitt 12, d. h. es wird zunächst mit weiteren gleich langen Impulsen geladen, bis eine der Bedingungen erfüllt ist. U_max beträgt im Beispiel 1, 6 V je Zelle. Erreicht die Spannung diesen Wert, so wird vor der weiteren Ladung das Puls-Pausen-Verhältnis im Sinne einer Verkürzung des Impulses neu bestimmt. Dazu wird der Innenwiderstand R_i und der momentane Ladefaktor L_f gemessen bzw. berechnet und daraus das Ausmaß einer angemessenen Impulsbreitenverringerung gewonnen. Sodann wird mit dem neuen Puls-Pausen-Verhältnis weitergeladen. Die zunächst abgesunkene Spannung steigt wieder an und erreicht schließlich wieder den Maximalwert U_max.

In der Darstellung nach Fig. 2 ist angedeutet, daß dies dreimal geschieht, wobei jedesmal das Puls-Pausen-Verhältnis verringert wird, wie auch in Fig. 3 qualitativ dargestellt. In der Praxis können natürlich auch mehr oder weniger Anpassungsvorgänge stattfinden.

Wenn sich der Ladevorgang dem Volladezustand nähert, nimmt die Steigung der Spannung ab, wie in Fig. 2 nach dem dritten Anpassungsvorgang dargestellt ist. Die Spannung erreicht jetzt nicht mehr den Maximalwert U_max von 1,6 V je Zelle, sondern flacht sich so weit ab, daß die Bedingung 15 erfüllt wird. Von hier ab erfolgen zwar zunächst wiederum die Meß- und Berechnungsschritte 10 und 11. Das Ergebnis dient aber jetzt nicht mehr zu einer Neuanpassung des Puls-Pausen- Verhältnisses, sondern unter Berücksichtigung der zuletzt erreichten Spannung U zur Berechnung einer sogenannten Ausgleichsladungsmenge 16. Diese definierte Ladungsmenge wird nunmehr eingeladen und bewirkt, wie Fig. 2 zeigt, noch einmal eine geringfügige Erhöhung der Spannung und damit einen Ladezustand von 95% ±5% bezogen auf die Nennkapazität.

Damit ist der eigentliche Ladevorgang beendet. Der folgende Programmabschnitt umfaßt nur noch die regelmäßige Nachladung kurzer Erhaltungsladeimpulse 17, welche die erfahrungsgemäß auftretende Selbstentladung des Akkumulators kompensieren bis er aus dem Ladegerät entnommen wird.

Zwei mögliche Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Fig. 1 nicht dargestellt. Es handelt sich um Schutzfunktionen, die dazu dienen, in außergewöhnlichen Fällen, insbesondere bei defekten Akkumulatoren, eine Unterbrechung des Ladevorgangs herbeizuführen.

Es wird vorgeschlagen, die beim Laden erreichte Gesamtladungsmenge zu überwachen. Man gewinnt diese Gesamtladungsmenge durch Speichern und Aufsummieren der einzelnen Ladeimpulse. Es ist davon auszugehen, daß der Gesamtladefaktor nie größer als 1,4 sein kann, wenn der Akkumulator in Ordnung ist. Übersteigt also die Gesamtladungsmenge das 1,4fache der Nennkapazität, ohne daß der Ladevorgang durch das Programm anderweitig beendet worden wäre, so ist dies ein Anlaß, ihn nunmehr übergeordnet zu beenden.

Schließlich wird vorgeschlagen, aus gespeicherten Erfahrungsgrößen einen Temperatur-Kennwert ϑ zu ermitteln und zu überwachen. Wenn dieser Kennwert einen bestimmten Maximalwert überschreitet, wird der Ladevorgang ebenfalls gestoppt. Der Temperatur-Kennwert ϑ ist ein momentaner Mittelwert aus mehreren erfahrungsgemäß typischen gespeicherten Temperaturkurven, z. B. ϑ₁ als Funktion von U, ϑ₂ als Funktion des momentanen Ladefaktors L_f und ϑ₃ als Funktion des Innenwiderstands R_i. In Abhängigkeit von diesen drei Veränderlichen ergeben sich drei Temperaturwerte ϑ₂ und ϑ₃, aus denen das einfache geometrische Mittel gebildet oder zusätzlich eine bestimmte Wichtung vorgenommen wird. Wenn der so gebildete Temperatur-Kennwert ϑ einen erfahrungsgemäß festlegbaren Maximalwert) ϑ_max nicht überschreitet, ist anzunehmen, daß in dem Akkumulator tatsächlich keine unzulässige Übertemperatur auftritt. Es ist somit möglich, ohne Temperatursensor die Funktion einer Temperaturüberwachung auszuüben. Das schließt nicht aus, daß wenn ein Temperatursensor ohnehin eingebaut ist, zusätzlich auch die echt gemessene Temperatur überwacht wird.

1 Eingabe, Eigentest
2 Anschlußprüfung
3 Spannungsmessung
4 Vergleich U <U_o
5 Anzeige: voll
6 Vergleich U <U_u
7 Diagnose
8 Entscheidung: defekt
9 Anzeige: defekt
10 Messung R_i
11 Berechnung L_F
12 angepaßte Ladeimpulse
14 Bedingung U <U_max
15 Bedingung → 0
16 Ausgleichsladungsmenge
17 Erhaltungsladeimpuls

Claims

1. Verfahren zum Schnelladen von gasdichten Akkumulatoren, insbesondere Nickel-Cadmium- oder Nickel- Hydrid-Akkumulatoren, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem gepulsten Strom geladen wird, dessen Puls-Pausen-Verhältnis nach dem anfänglichen Ladezustand des Akkumulators bestimmt ist,
daß in den Pausen zwischen den Impulsen die Spannung (U) des Akkumulators gemessen wird
und daß nach Erreichen eines bestimmten Maximalwerts (U_max) der Spannung (U) das Puls-Pausen-Verhältnis entsprechend dem inzwischen erreichten Ladezustand im Sinne einer Verringerung des Ladestrom-Mittelwerts jedesmal neu bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Puls-Pausen-Verhältnis in Abhängigkeit vom Innenwiderstand (R_i) und vom momentanen Ladefaktor (L_f) bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsgradient mit erfaßt wird und daß auf Erhaltungsladung übergegangen wird, wenn der Spannungsgradient gegen Null geht.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Beginn der Erhaltungsladung eine Ausgleichsladungsmenge (16) geladen wird, die sich nach den zuvor gemessenen Parametern Spannung (U), Spannungsgradient , Innenwiderstand (R_i) und momentaner Ladefaktor (L_f) bestimmt.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der momentane Ladefaktor (L_f) in der Weise bestimmt wird, daß man ausgehend von einer Anfangsspannung eine bestimmte Lademenge in den Akkumulator einlädt, sodann entlädt bis die Anfangsspannung wieder erreicht ist und die eingeladene und entnommene Lademenge ins Verhältnis setzt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Ladevorgangs die aus einem Impuls und einer Pause bestehende Periodendauer des Ladestroms innerhalb einer Sequenz konstant ist, sich jedoch von Sequenz zu Sequenz ändern kann.

7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Erhaltungsladestrom aus Impulsen konstanter Dauer besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor Beginn des Ladevorgangs die Spannung (U) des Akkumulators gemessen und mit einem oberen Grenzwert (U_o) verglichen wird, welcher etwa 1,4 V je Zelle beträgt, und daß, falls der Meßwert höher als der Grenzwert ist, das Ladeprogramm gestoppt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Beginn des Ladevorgangs die Spannung (U) des Akkumulators gemessen und mit einem unteren Grenzwert (U_u) von etwa 0,9 V je Zelle verglichen wird und daß, falls der Meßwert niedriger als der Grenzwert ist, eine Diagnoseladung durchgeführt und je nach dem Änderungsverhalten der Spannung (U) das Ladeprogramm gestoppt oder fortgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Anklemmen des Akkumulators an das Ladegerät zunächst eine Prüfung auf polrichtigen Anschluß durchgeführt und sodann, falls erforderlich, ein Polumschalter im Sinne richtiger Polung selbsttätig umgeschaltet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Ladevorgangs die Gesamtladungsmenge auf summiert und überwacht wird und bei Überschreiten eines Grenzwerts gleich 1,4 · Nennkapazität der Ladevorgang gestoppt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Ladevorgangs ein Temperatur- Kennwert ϑ ermittelt und auf Überschreitung eines Maximalwerts überwacht wird, in welchem Falle der Ladevorgang gestoppt wird, wobei dieser Temperatur-Kennwert ein momentaner Mittelwert aus mehreren erfahrungsgemäß typischen gespeicherten Temperaturkurven, insbesondere ϑ₁ = f(U) ϑ₂ = f(L_f) und ϑ₃ = f(Ri) ist.