DE4225088C2

DE4225088C2 - Batterieentladevorrichtung

Info

Publication number: DE4225088C2
Application number: DE4225088A
Authority: DE
Inventors: Eiji Satsuma; Tetsuya Okada; Takahiro Yamashita
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1991-07-31
Filing date: 1992-07-29
Publication date: 2001-09-13
Anticipated expiration: 2012-07-30
Also published as: US5355072A; DE4225088A1; US5479084A

Description

Die Erfindung betrifft eine Batterieentladungsvorrichtung, und insbesondere eine Vorrichtung, die durch Tiefentladung die tatsächliche Leistungskapazität einer Batterie wiedergewinnt, die infolge des Gedächtniseffekts verringert wurde. Das als Gedächtniseffekt bekannte Phänomen ist allgemein wohlbekannt. Der Gedächtniseffekt, bei welchem die Batteriespannung in zwei Stufen während der Tiefentladung nach einer Wiederholung flacher Ladungs/Entladungszyklen abfällt, tritt in wiederaufladbaren Batterien auf, beispielsweise Nickel-Kadmium- oder Nickel-Wasserstoff-Batterien. In Fig. 1 stellt die gestrichelte Kurve A die Entladungscharakteristik einer Batterie mit Gedächtniseffekt dar, wogegen die durchgezogene Kurve B die Entladungscharakteristik einer normalen Batterie ohne Gedächtniseffekt zeigt. Diese Figur verdeutlicht, daß mit fortschreitender Entladung die Spannung bei einer Batterie mit Gedächtniseffekt nach einer kürzeren Betriebsdauer absinkt. Wenn daher eine Batterie mit Gedächtniseffekt bei einem Gerät verwendet wird, welches bei einer bestimmten Spannung abschaltet, wird die tatsächliche Leistungskapazität der Batterie verringert.

Wenn der Gedächtniseffekt bei einer wiederaufladbaren Batterie auftritt, die als Energiequelle bei unterschiedlichen batteriegetriebenen Geräten verwendet wird, treten daher auf diese Weise Probleme auf, wie etwa das Absinken der Arbeitsspannung der wiederaufladbaren Batterie unter die Betriebsspannung des Geräts, wodurch das arbeitende Gerät plötzlich seinen Betrieb einstellt. Andererseits trennen batteriegetriebene Geräte, beispielsweise die 8 mm-Videokamera, die Batterie elektrisch ab und stellen den Kamerabetrieb ein, wenn die Batteriespannung unter die Betriebsspannung der Kamera absinkt. Dies dient dazu, ein unvorhersehbares Verhalten des Gerätes zu vermeiden, welches durch den Betrieb des Gerätes bei einer reduzierten Batteriespannung hervorgerufen wird.

Häufig wird die Betriebsspannung für diese Art von Geräten auf einen Wert eingestellt, der die Batterie nicht vollständig entlädt und ihr eine bestimmte Restenergie läßt. Daher ist ein Auftreten des Gedächtniseffekts bei derartigen Anwendungen besonders wahrscheinlich, bei denen der Ladungs/Entladungszyklus der Batterie wiederholt wird.

Gemäßigte Tiefentladungsverfahren wurden entwickelt, um den Gedächtniseffekt auszuschalten (japanische Veröffentlichung JP-SHO-62-193516). Die in dieser Veröffentlichung beschriebene Entladungsvorrichtung weist eine Entladungseinrichtung auf, um eine wiederaufladbare Batterie tief zu entladen, wenn ihre Spannung unter einen eingestellten Wert absinkt. Die Entladungseinrichtung verwendet entweder einen Zeitgeber, um eine Tiefentladung zu erreichen, bis ein eingestelltes Zeitintervall verstrichen ist, oder einen Batteriespannungssensor, um eine Tiefentladung zu erreichen, bis eine eingestellte Spannung erreicht ist.

Die in dieser Veröffentlichung beschriebene Entladungsvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß der tatsächliche Batterieleistungsverlust infolge des Gedächtniseffekts durch eine Batterietiefentladung wiedergewonnen wird, nämlich durch eine Entladung zur Ausschaltung des Gedächtniseffekts. Daher wird eine Gedächtniseffekt-Eliminierungsentladung durchgeführt, um die tatsächliche Leistungskapazität einer Batterie wiederzugewinnen, wenn diese infolge des Gedächtniseffektes verringert wurde. Eine Gedächtniseffekt-Eliminierungsentladung wird beispielsweise durchgeführt, wenn die tatsächliche Leistungskapazität einer Batterie auf 80% ihrer Normalkapazität abgesunken wäre. Allerdings führt selbst eine Tiefentladung einer Batterie ohne tatsächliche Leistungsverringerung infolge des Gedächtniseffekts nicht zu einer Erholung der Leistungskapazität. Die Gedächtniseffekt-Eliminierungsentladung einer Batterie ohne Gedächtniseffekt verschwendet nicht nur Energie, sondern verkürzt auch die Entladungszykluslebensdauer der Batterie. Darüber hinaus führt eine Durchführung einer Gedächtniseffekt-Eliminierungsentladung, die jedesmal durchgeführt wird, wenn die Batteriespannung absinkt, nicht dazu, daß die ursprüngliche, tatsächliche Leistungskapazität der Batterie wiedergewonnen wird.

Eine Entladungsvorrichtung, die immer dann automatisch eine Gedächtniseffekt-Eliminierungsentladung durchführt, wenn die Batteriespannung unter einen eingestellten Wert absinkt, weist den Nachteil auf, daß infolge der Tatsache, daß die Gedächtniseffekt-Eliminierungsentladung jedesmal dann durchgeführt wird, wenn die Batteriespannung absinkt, Zeit verbraucht wird, um die Batterie tief zu entladen, und ebenso dafür, sie aus dem tiefentladenen Zustand wieder aufzuladen.

Weiterhin schlägt die DE 35 26 045 A1 ein spezielles Verfahren zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie vor, bei welchem die Batterie zuerst entladen wird, wobei eine Tiefentladung verhindert wird. Dann wird ein Ladevorgang mit drei unterschiedlichen Schritten durchgeführt, nämlich einer Schnelladung, einer Volladung, und einer Erhaltungsladung. Hierbei wird die Entladung mit Hilfe eines Notschalters, eines Schalters, der durch ein Steuerglied geschlossen wird, und eines Entladungswiderstands durchgeführt, der an Masse angeschlossen ist. Zur Verhinderung einer Tiefentladung wird die Batteriespannung durch einen A/D-Wandler dem Steuerglied zugeführt. Wenn die vorbestimmte Entladungsspannung erreicht wurde, öffnet das Steuerglied den Schalter, wodurch eine weitere Entladung verhindert wird.

Die DE 33 32 163 C1 beschreibt ein spezielles Gerät für die gleichzeitige Überbrückung sämtlicher in Reihe geschalteter Zellen einer NiCd-Batterie durch Entladungswiderstände, wobei für jede Zelle ein entsprechender Entladungswiderstand vorgesehen ist, bis der gewünschte Entladungswiderstand erreicht wurde.

Die US 4,302,714 schlägt ein spezielles Verfahren zur automatischen Aufrechterhaltung der maximalen Kapazität wiederaufladbarer Batterien vor, bei welchem folgende Schritte vorgesehen sind: Feststellung des Vorhandenseins einer Batterie; Tiefentladung der Batterie auf einen vorbestimmten Pegel oberhalb einer sogenannten Zellenumkehr; Wiederaufladung der Batterie auf ihre Nennkapazität; Entladung der Batterie mit einer gesteuerten Entladungsrate, während die Batterieausgangsspannung gemessen wird; und Feststellung, ob die Batteriekapazität oberhalb oder unterhalb eines ausgewählten Minimalwertes ist; wobei dann, wenn die Kapazität unterhalb des ausgewählten Minimalwertes liegt, eine Tiefentladung und nachfolgende Wiederaufladung erfolgt, bis reversible Gedächtniseffekte ausgeglichen sind; die volle Batteriekapazität durch Erhaltungsladung aufrecht erhalten wird; und die voranstehenden Schritte periodisch wiederholt werden, um das Auftreten von Gedächtniseffekten zu verhindern.

Die vorliegende Erfindung wurde zur Ausschaltung dieser Nachteile entwickelt. Daher besteht das durch die vorliegende Erfindung zu lösende technische Problem in der Bereitstellung einer Batterieentladungsvorrichtung, die dadurch den Gedächtniseffekt eliminieren kann, daß die Batterie zu geeigneten Zeiten entladen wird.

Die Batterieentladungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale auf.

Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung mit einer Strommeßeinrichtung versehen, um zu ermitteln, ob von der Batterie Energie abgegeben wird oder nicht, wie dies im Patentanspruch 2 angegeben ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:

Fig. 1 eine grafische Darstellung der Batteriespannungsverringerung infolge des Gedächtniseffekts;

Fig. 2 eine perspektivische Seitenansicht mit einer Darstellung eines Batteriekastens, eines Adapters zur Anzeige verbleibender Leistung, und einer 8 mm-Videokamera;

Fig. 3 ein Blockschaltbild der ersten bevorzugten Ausführungsform der Batterieentladungsvorrichtung;

Fig. 4 ein Flußdiagramm mit einer Darstellung des Betriebsablaufs der Batterieentladungsvorrichtung von Fig. 3;

Fig. 5 ein Blockschaltbild der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Batterieentladungsvorrichtung; und

Fig. 6 ein Flußdiagramm mit einer Darstellung des Betriebsablaufs der Batterieentladungsvorrichtung von Fig. 5.

Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf der Grundlage erläuternder Zeichnungen beschrieben.

Das Teil 1 in Fig. 2 und Fig. 3 ist ein Adapter zur Anzeige verbleibender Leistung, der in der Batterieentladungsvorrichtung gemäß der Erfindung vorgesehen ist. Dieser Adapter 1 zur Anzeige verbleibender Leistung liegt zwischen dem Batteriekasten 2 und der 8 mm-Videokamera 3. Im einzelnen ist der Adapter 1 mit Oberflächen versehen, die sowohl an den Batteriekasten 2 als auch an die Videokamera 3 angepaßt sind, und der Batteriekasten 2 liefert Energie an die Videokamera 3 über den Adapter 1. Darüber hinaus wird, als die Antriebsenergiequelle, der verbleibende Leistungspegel des Batteriekastens durch den Adapter 1 angezeigt.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, weist der Adapter 1 zur Anzeige verbleibender Leistung eine Entladungseinrichtung 10 und eine Steuereinrichtung 11 auf. Die Steuereinrichtung 11 ist mit einer Strommeßeinrichtung 4 versehen, um den Fluß des elektrischen Stroms zu ermitteln, der von dem Batteriekasten 2 geliefert wird, mit einem Mikrocomputer 5 zum Integrieren des Ausgangssignals der Strommeßeinrichtung 4, und mit einer Anzeigeeinrichtung 6 zur Anzeige der Ergebnisse der Berechnung des Mikrocomputers 5. Die Anzeigeeinrichtung 6 weist fünf LEDs (lichtemittierende Dioden) auf, die entsprechend aufleuchten, um den Leistungspegel des Batteriekastens 2 in Intervallen von 20 % anzuzeigen.

Weiterhin ist die Steuereinrichtung 11, die in dem Adapter 1 zur Anzeige verbleibender Leistung vorgesehen ist, mit einer Batteriespannungsmeßeinrichtung 7 versehen, um die Spannung des Batteriekastens 2 zu messen. Die Entladungseinrichtung 10 ist mit einem Entladungswiderstand 8 und einem Schaltelement 9 versehen, um den Batteriekasten 2 und den Entladungswiderstand 8 zu verbinden. Das Schaltelement 9 schaltet ein und aus, abhängig vom Ausgangssignal des Mikrocomputers 5. Weiterhin weist der Mikrocomputer 5 eine Zeitgeberschaltung (nicht gezeigt) auf, die durch das Ausgangssignal der Spannungsmeßeinrichtung 7 betrieben wird.

Der Adapter 1 zur Anzeige verbleibender Leistung, der den voranstehend beschriebenen Bauteilaufbau aufweist, und der zwischen den Batteriekasten 2 und die Videokamera 3 geschaltet ist, zeigt (über die Anzeigeeinrichtung 6) die verbleibende Leistung des Batteriekastens 2 an, wenn die Videokamera 3 mit Strom versorgt wird. Die Spannung des Batteriekastens 2 wird ebenfalls durch die Spannungsmeßeinrichtung 7 gemessen. Die Batteriespannung sinkt ab, während die Videokamera 3 betrieben wird, bis schließlich die Abschaltspannung der Videokamera erreicht ist. Wenn die Batteriespannung die Abschaltspannung erreicht, so wird die Videokamera 3 so eingestellt, daß sie elektrisch den Batteriekasten 2 abtrennt. Hier wird die Referenzspannung der Batteriespannungsmeßeinrichtung 7 vorher auf die Abschaltspannung eingestellt. Der Betriebsablauf der in Fig. 3 dargestellten Entladungsvorrichtung wird durch das Flußdiagramm von Fig. 4 erläutert. Wie aus diesem Flußdiagramm hervorgeht, gibt die Batteriespannungsmeßeinrichtung 7 ein vorbestimmtes Signal an den Mikrocomputer 5 ab, wenn die Batteriespannung unter die Abschaltspannung der Kamera absinkt. Zu diesem Zeitpunkt aktiviert der Mikrocomputer 5 seine residente Zeitgeberschaltung. Nachdem die Zeitgeberschaltung ein eingestelltes Zeitintervall ausgetaktet hat, gibt der Mikrocomputer 5 ein vorbestimmtes Signal an das Schaltelement 9 ab, und das Schaltelement 9 verbindet den Batteriekasten 2 mit dem Entladungswiderstand B. Dies führt dazu, daß der Batteriekasten 2 seine verbleibende Energie durch den Entladungswiderstand 8 entlädt. Zusätzlich mißt der Adapter 1 die Batteriespannung während der Entladung über den Entladungswiderstand 8 durch die Batteriespannungsmeßeinrichtung 7. Wenn die Spannung auf die endgültige Entladungsspannung von 1 Volt pro Zelle absinkt, so gibt der Mikrocomputer 5 wiederum ein Signal an das Schaltelement 9 ab, und der Batteriekasten 2 wird von dem Entladungswiderstand 8 abgetrennt, wodurch die Entladung beendet wird.

In dem Fall, in welchem der Batteriekasten 2 sofort erneut wieder geladen werden soll, um mit einer Videokamera oder einer anderen Last erneut benutzt zu werden, so wird der Batteriekasten sofort von der Videokamera entfernt und an einem Ladegerät angebracht, um die Rückladung zu beginnen, nachdem seine Spannung unter die Abschaltspannung abgesunken ist. Da die Batteriespannung sofort anzusteigen beginnt, wird unter diesen Umständen der Batteriekasten 2 nicht mit dem Entladungswiderstand 8 verbunden und wird schnell wieder aufgeladen.

In dem Fall allerdings, wenn der Batteriekasten 2 nach Erreichen der Abschaltspannung nicht verwendet wird, setzt die Zeitgeberschaltung ihren Takt fort, da die Batteriespannung unter der Abschaltspannung liegt, und beginnt - wie voranstehend beschrieben - die Batterieentladung nach einem eingestellten Zeitintervall.

Auf diese Weise wird, wenn der Batteriekasten 2 nicht verwendet wird, dieser automatisch vollständig entladen, um das Auftreten des Gedächtniseffekts zu verhindern. Wenn die Batterie wieder aufgeladen wird, kann sie daher ihre volle Leistungskapazität erreichen, und es läßt sich eine stabile Aktivierung der Last sicherstellen.

Bei der voranstehend beschriebenen Entladungsvorrichtung wird die Batterie nach einem eingestellten Zeitintervall vollständig entladen, welches nach der Entladung der Batterie auf eine vorbestimmte Spannung beginnt. Wenn die Batterie nicht verwendet wird, so kann sie automatisch vollständig entladen werden, wodurch der Gedächtniseffekt vermieden wird, eine Wiederaufladung mit voller Kapazität sichergestellt wird, und eine stabile Energieversorgung der Last sichergestellt wird.

In Fig. 5 ist nunmehr eine Batterieentladungsvorrichtung mit einem unterschiedlichen Schaltungsaufbau dargestellt. Der in Fig. 5 gezeigte Mikrocomputer 55 weist einen (nicht gezeigten) Zeitgeber auf. Weiterhin wird der Betriebsablauf der Schaltung von Fig. 5 durch das Flußdiagramm von Fig. 6 erläutert. Im einzelnen mißt, wenn der Batteriekasten 51 mit einem Batterieladegerät verbunden und geladen wird, die Strommeßeinrichtung 54 einen Ladestrom und gibt ein vorbestimmtes Signal an den Mikrocomputer 55 aus. Wenn dies erfolgt, so stellt der Mikrocomputer 55 fest, daß die Batteriezellenanordnung 52 geladen wird, und gibt ein Signal an die Entladungseinrichtung 50 aus, welches jegliche Verbindung zwischen der Entladungseinrichtung 50 und der Batteriezellenanordnung 52 unterbricht. Daher findet keine Widerstandsentladung über die Entladungseinrichtung 50 statt. Darüber hinaus aktiviert die Anzeigeeinrichtung 56 infolge eines Signals von dem Mikrocomputer 55 keine Anzeige.

Wenn dann der Batteriekasten 51 mit der Last 53 verbunden ist und diese versorgt, mißt die Strommeßeinrichtung 54 den Laststrom und gibt ein vorgeschriebenes Signal an den Mikrocomputer 55 ab. Daher findet - wie vorher - keine Widerstandsentladung über die Entladungseinrichtung 50 statt. Wenn der Batteriekasten 51 weder geladen wird noch die Last 53 versorgt, noch über einen Widerstand entladen wird, so mißt die Batteriespannungsmeßeinrichtung 57 die Batteriespannung. Wenn die Batteriespannung unter der vorgeschriebenen Spannung Va liegt, so empfängt der Mikrocomputer 55 ein Signal von der Batteriespannungsmeßeinrichtung 57 und aktiviert den Zeitgeber innerhalb des Mikrocomputers 55. Nach einem eingestellten Intervall, welches durch den Zeitgeber ausgetaktet wird, wird ein Signal an die Entladungseinrichtung 50 abgegeben, um die Batteriezellenanordnung 52 mit der Entladungseinrichtung 50 zu verbinden. Daher erfolgt eine Widerstandsentladung über die Entladungseinrichtung 50. Zusätzlich empfängt die Anzeigeeinrichtung 56 ein Signal von dem Mikrocomputer 55, um die Anzeige zu aktivieren. Hier wird die vorgeschriebene Spannung Va so ausgewählt, daß sie gleich der Abschaltspannung der versorgten Last ist. Wenn kein Energiefluß zur Batterie hin oder von dieser weg erfolgt, entlädt die Entladungseinrichtung 50 die Batterie auf diese Weise, wenn die Batteriespannungsmeßeinrichtung 57 eine Batteriespannung unterhalb der vorgeschriebenen Spannung mißt und wenn der Zeitgeber damit fertig ist, das eingestellte Zeitintervall auszuzählen. Schließlich ist die Widerstandsentladung beendet, wenn während der Entladung über den Widerstand die Batteriespannung unter die vorbestimmte Spannung Vb absinkt. Die vorgeschriebene endgültige Entladungsspannung Vb wird so gewählt, daß sie 1 Volt pro Batteriezelle beträgt.

Bei dieser Ausführungsform ist die Batterieentladungsvorrichtung innerhalb des Batteriekastens 51 vorgesehen, jedoch ist diese Ausführungsform nicht auf eine derartige Anordnung beschränkt und kann auch so ausgebildet sein; daß sie als Adapter ausgebildet ist, der frei mit der Batterie verbunden und von dieser getrennt werden kann.

Die in Fig. 5 gezeigte Entladungsvorrichtung weist eine Entladungseinrichtung auf, eine Strommeßeinrichtung, um zu bestimmen, ob Energie zur Batterie oder von dieser wegfließt, eine Batteriespannungsmeßeinrichtung, und einen Zeitgeber, der durch ein Ausgangssignal von der Batteriespannungsmeßeinrichtung aktiviert wird. Wenn die Strommeßeinrichtung feststellt, daß keine Energie zur Batterie hin oder von dieser wegfließt, und wenn weiterhin die Batteriespannungsmeßeinrichtung eine Batteriespannung unterhalb der vorgeschriebenen Spannung mißt, und der Zeitgeber das Austakten des eingestellten Zeitintervalls beendet, entlädt die Entladungseinrichtung die Batterie. Daher kann eine automatische Batterieentladung beispielsweise zu solchen Zeiten durchgeführt werden, nachdem eine Verwendung zur Versorgung der Last erfolgt ist.

Claims

1. Batterieentladungsvorrichtung mit:
einer Entladungseinrichtung (10) zum Tiefentladen einer Batterie (2);
einer Steuereinrichtung (11) zum Steuern der Entladungseinrichtung (10), wobei die Steuereinrichtung

- eine Batteriespannungsmeßeinrichtung (7) aufweist sowie
- einen Zeitgeber, um die Entladungseinrichtung (10) entsprechend dem Ausgangssignal von der Batteriespannungsmeßeinrichtung (7) zu steuern, wobei die Batteriespannungsmeßeinrichtung den Zeitgeber startet, wenn die Batteriespannung unter eine vorgeschriebene Spannung (V_a) abfällt, die Entladungseinrichtung (10) eine Batterieentladung beginnt, wenn der Zähltakt des Zeitgebers beendet ist, und die Batterieentladung beendet, wenn eine einer Tiefentladung entsprechende endgültige Entladungsspannung (V_b) erreicht ist.

2. Batterieentladungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (11)
eine Strommeßeinrichtung (4) aufweist, um zu ermitteln, ob zur Batterie (2) hin oder von dieser weg Energie fließt,
wobei dann, wenn die Strommeßeinrichtung (4) feststellt, daß keine Energie zur Batterie (2) hin oder von dieser weg fließt, die Batteriespannungsmeßeinrichtung (7) mißt, ob die Batteriespannung unterhalb der vorgeschriebenen Spannung (V_a) liegt, der Zeitgeber beginnt, wenn sowohl keine Energie fließt als auch die Spannung unterhalb der vorgeschriebenen Spannung liegt, und die Entladungseinrichtung die Batterie entlädt, wenn der Zähltakt des Zeitgebers abgelaufen ist.

3. Batterieentladungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Entladungseinrichtung (10) einen Entladungswiderstand (8) und ein Schaltelement (9) aufweist.

4. Batterieentladungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (11) einen Mikrocomputer (5) aufweist.