DE4243710A1

DE4243710A1 - Ladeverfahren für Akkumulatoren

Info

Publication number: DE4243710A1
Application number: DE4243710A
Authority: DE
Inventors: Karl-Diether Dipl Ing Nutz; Dieter Dipl Ing Hanselmann
Original assignee: Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Current assignee: Microchip Technology Munich GmbH
Priority date: 1992-12-23
Filing date: 1992-12-23
Publication date: 1994-06-30
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: US5352967A; DE4243710C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Ladeverfahren für Akkumula toren, insbesondere für NiCd (Nickel-Cadmium)- und NiH (Nickel-Hydrid)-Zellen. Ferner wird eine Schaltungsan ordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah rens angegeben.

In jüngster Zeit wird eine Vielzahl von tragbaren elek tronischen Geräten (wie tragbares Telefon, Laptop, Cam corder usw.) angeboten, die jedoch in der Regel nicht mit einer Leitung an das Stromnetz anschließbar sind. Folglich muß der Betrieb mit Akkumulatoren gewähr leistet werden, wobei diese Akkumulatoren ständig in Betriebsbereitschaft gehalten werden müssen. Hierbei besteht ein Problem darin, den Akkumulator möglichst vollzuladen ohne ihn jedoch durch Überladung zu schädi gen.

Bei den Ladeverfahren wird zwischen der Ladung mit Kon stantstrom, der Temperatur-Ladung, der -Delta-U-Ladung der +Delta-U-Ladung, der Impulsladung und der Ladung nach der Reflex-Methode unterschieden.

Die beiden erstgenannten Verfahren sind die preisgün stigsten Verfahren. Nach dem erstgenannten Verfahren wird der Akku dauernd mit kleinem Strom (0,1 I) überla den. Der Aufwand für eine Konstantstromquelle ist ge ring, jedoch ist die lange Ladezeit nachteilig und führt schnell zu einer Schädigung der Zellen. Üblich ist es auch, bei diesem Ladeverfahren die Ladezeit zu beschränken. Der Ladevorgang wird also abgebrochen, so bald eine definierte Zeit erreicht ist. Der Ladezustand wird jedoch nicht berücksichtigt, weshalb auch hier ähnliche Probleme wie bei der permanenten Überladung auftreten.

Bei der Temperatur-Ladung wird der Ladestrom nach Er reichen einer bestimmten Temperatur, beispielsweise 45°C oder nach Erreichen einer Differenz zwischen der Umgebungstemperatur und der Akkutemperatur abgeschal tet. Auch dieses Verfahren läßt den Ladezustand des Ak kus außeracht. Auch kann nicht ausgeschlossen werden, daß bei hohen Umgebungstemperaturen die Zellen geschä digt werden können. Schließlich ist der Temperaturver lauf solch geschädigter Zellen überhaupt nicht vorher sehbar.

Die bei diesen beschriebenen Verfahren auftretenden Schädigungen der Zellen führen zu einer vorzeitigen Re duzierung der verfügbaren Kapazität.

Bei der -Delta-U-Ladung wird das Abfallen der Ladekurve nach dem völligen Aufladen der Akkus als Abschaltkrite rium ausgenutzt. Werden Akkumulatoren, insbesondere NC- und NH-Akkus, mit einer Konstantstromquelle geladen, steigt die Ladespannung stetig an, und zwar solange die Zelle die zugeführte Energie in chemische Energie umzu setzen vermag. Nachdem die Akkus die zugeführte Energie nicht mehr speichern können, wird diese in Wärme umge setzt und die Zellenspannung sinkt dabei ab, wobei gleichzeitig das Ladeende erkannt wird. Dieses Verfah ren ist jedoch nur bei solchen Akkumulatorentypen an wendbar, die eine Hochstrom-Ladung zulassen. Dieses La deverfahren selbst hat den Nachteil, daß während des Schnelladevorgangs Oberflächeneffekte in der Zelle stattfinden, die zu Schwankungen der Akkuspannung füh ren und einen vorzeitigen Abbruch des Ladevorganges be wirken. Deshalb ist eine Langzeit-Integration über meh rere Meßzyklen, oder besser eine mehrmalige Meßwerter fassung und Speicherung erforderlich, um falsche Meß werte durch mathematische Operationen zu erkennen oder durch Interpolation auszuschließen. Die Verwirklichung einer Langzeitintegration mittels analoger Schaltungs technik erfordert einen erheblichen Aufwand, während eine mathematische Aufarbeitung der Meßwerte zum Ein satz eines Mikroprozessors führt. Da NC-Akkus einen we sentlich ausgeprägteren Verlauf der Ladespannung auf weisen als NH-Akkus, ist für letztere eine genauere Auswertung der Ladekurve, beispielsweise über mehrere Meßwerte, zwingend erforderlich. NH-Akkus werden bei dieser Lademethode stets überladen.

Bei der +Delta-U-Methode wird der Gradient der ansteigenden Ladekurve ausgewertet. Bei nahezu voll ständig geladenem Akku nimmt die Steigung der Ladespan nung wieder ab. Durch mathematische Differenzierung der Ladekurve kann die Reduzierung der Steigung als Lade stopp-Kriterium ausgewertet werden. Da bei dieser Me thode mehrere verschiedene mathematische Operationen ausgeführt werden müssen, ist fast nur eine Mikropro zessorlösung denkbar, wie dies in der US 47 46 852 vor geschlagen wird.

Die Impulsladung ist aus der EP-A 03 11 460 bekannt. Die Ladung wird mit sehr hohen Stromimpulsen realisiert. Dabei wird die Akkuspannung während einer stromlosen Phase gemessen und mit einem festen Referenzwert verglichen. Der Ladevorgang ist beendet, sobald die Akkuspannung diesen Referenzwert erreicht hat. Da die Akkus herstellerbedingte Differenzen in ihren Spannungslagen aufweisen, wirkt sich dieser feste Referenzwert bezüglich einer optimalen Ausnutzung der Kapazität und des Schutzes vor Überladung negativ aus.

Die Ladung nach der Reflex-Methode ist von den bisher genannten Verfahren das aufwendigste, da es ebenfalls den Einsatz eines Mikroprozessors erfordert. Nach diesem Verfahren schließt sich an einen Ladeimpuls von bestimmter Dauer ein kurzer hoher Entladeimpuls an, dem eine kurze stromlose Phase folgt, die zur Messung der Ladespannung dient.

Aus der DE-OS 30 40 852 ist eine Ladeschaltung, insbesondere für NiCd-Batterien bekannt, bei der das Abfallen der Ladekurve nach dem völligen Aufladen der Batterien als Abschaltkriterium für den Ladevorgang ausnutzt, also das schon oben beschriebene -Delta-U- Verfahren anwendet. Diese bekannte Schaltung enthält einen digitalen Speicher, dessen eingespeicherter Wert in vorgegebenen Zeitintervallen während des Ladens der Ladespannung nachgeführt wird, und zwar bis zu dem Zeitpunkt, in dem die Ladespannung ihr Maximum erreicht. Bei Fortführung des Ladevorgangs fällt die Ladespannung unter den eingespeicherten maximalen Wert ab. Ein Vergleich der aktuellen Ladespannung des Akkus mit dem eingespeicherten maximalen Wert liefert das Kriterium für die Beendigung des Ladevorganges. Der di gitale Speicher bei dieser Schaltung ist mittels eines Treppenspannungsgenerators und eines Oszillators aufge baut, wobei ein Binärzähler als Treppenspannungsge nerator dient. Ein Nachteil dieser bekannten Schaltung besteht darin, daß die während des Ladevorganges gemes sene Ladespannung zu schlechten Ladeergebnissen führt, da dieser Spannungswert auch solche Widerstandskompo nenten enthält, die auf dem Leitungswiderstand, dem Elektrodenwiderstand und dem Elektrolytwiderstand beru hen und nicht nur auf dem elektrochemischen Zellenpo tential, das an sich den Ladezustand eines Akkus am be sten wiedergibt. Ein weiterer Nachteil ist darin zu se hen, daß der Ladevorgang zu früh, also bevor der Akku vollgeladen ist, beendet wird, falls die Ladespannung kurzzeitig abfällt und danach wieder ansteigt. Diese bekannte Schaltung gewährleistet aber nicht, daß die Akkumulatoren in jedem Fall mit maximaler Kapazität ge laden werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ladever fahren für Akkumulatoren, insbesondere für NiCd- und NiH-Akkumulatoren anzugeben, das die verfügbare Nutzkapazität der zu ladenden Zellen maximal ausnutzt und gleichzeitig weitgehenden Schutz gegen eine Überla dung bietet.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspru ches 1 gelöst. Hiernach wird der Ladevorgang beendet oder der Ladestrom reduziert, falls bei mehreren auf einanderfolgenden Messungen die Ladespannung gleich oder kleiner ist als der höchste gespeicherte Referenz wert. Als Ladestopp-Kriterium dient dabei eine be stimmte Anzahl dieser Meßzyklen.

Zur Bestimmung der entsprechenden Anzahl dieser Meß zyklen ist bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Vorwärts-Rückwärtszäh ler vorgesehen, der bei Beginn des Ladevorganges auf den höchsten oder den niedrigsten Zählerstand gesetzt wird. Wird der Vorwärts-Rückwärtszähler auf den höchsten Zählerstand gesetzt, befindet er sich im Vor wärtsbetrieb, falls der Referenzwert der Ladespannung nachgeführt werden muß. Erfolgt dagegen keine Nachfüh rung mehr des Referenzwertes wird der Vorwärts-Rück wärtszähler in den Rückwärtsbetrieb gesteuert. Entspre chend wird verfahren, wenn der Zählerstand des Vor wärts-Rückwärtszählers zu Beginn des Ladevorganges auf den niedrigsten Zählerstand gesetzt wird. Ein be stimmter Zählerstand hat nun die Abschaltung oder die Reduzierung des Ladestromes zur Folge.

Schließlich kann bei einer weiteren bevorzugten Ausfüh rungsform der Erfindung der Ladestrom in Abhängigkeit des Zählerstandes stufenweise reduziert werden. Hier durch kann eine den Akkumulator schonende Restladung gewährleistet werden.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, das erfindungsgemäße Ladeverfahren für Akkumulatoren mit einer kostengünstigen Schaltungsanordnung zu verwirkli chen. Dies wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 5 gelöst. Hiernach ist ein Spitzen wertdetektor vorgesehen, der den Spannungsvergleich zwischen dem Referenzwert und der Ladespannung durch führt sowie die Nachführung dieses Referenzwertes vor nimmt. Dieser Spitzenwertspeicher steuert auch in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses den Vorwärts- Rückwärtszähler in den Vorwärts- oder Rückwärtsbetrieb. Zur Steuerung der Ladestromquelle ist dem Vorwärts- Rückwärtszähler ein D/A-Wandler nachgeschaltet, der in einfacher Weise dadurch realisiert werden kann, daß die Zählausgänge des Vorwärts-Rückwärtszählers mit Wider ständen gewichtet sind. Diese erfindungsgemäße Schaltungsanordnung kommt mit minimiertem Peripherie aufwand und ohne den Einsatz eines Mikroprozessors aus.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der erfindungs gemäßen Schaltungsanordnung ist der Spitzenwertspeicher so ausgebildet, daß ihm zur Nachführung des Referenz wertes an die Ladespannung je Meßintervall nur ein Takt zugeführt wird, falls der Referenzwert nur noch um einen geringen Betrag kleiner ist als der Wert der ak tuellen Ladespannung. In vorteilhafter Weise wird eine langsame Annäherung an die aktuelle Ladespannung gewährleistet, wodurch eine Überschreitung der maxima len Ladespannung, die an sich das optimale Abschaltkri terium darstellt, im wesentlichen vermieden wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn dem S-Eingang des Vorwärts-Rückwärtszählers ein Schieberegister vorge schaltet ist. Hierdurch erfolgt eine Überprüfung der Meßwerte auf Plausibilität. Ein Nachführen des Refe renzwertes erfolgt also nur dann, wenn mehrmals hinter einander die Meßwertvergleiche zum gleichen Ergebnis führen. Den gleichen Vorteil weist eine weitere Ausfüh rungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung aus, wo dem R-Eingang des Vorwärts-Rückwärtszählers ein weiteres Schieberegister vorgeschaltet ist. Somit kön nen in vorteilhafter Weise einmalige oder mehrmalige po sitive oder negative Spannungsausreißer der Ladespan nung, die durch zelleninterne Oberflächeneffekte er zeugt werden, auf sichere Weise ausgeblendet werden.

Im folgenden soll die Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen dargestellt und erläutert werden. Es zei gen:

Fig. 1 Ein Blockschaltbild zur Durchführung des er findungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 ein Spannungs-Zeitdiagramm einer Ladekurve,

Fig. 4 Spannungs-Zeitdiagramme zur Erläuterung der Meßablauf-Steuerung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 5 Spannungs-Zeitdiagramme zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und

Fig. 6 weitere Spannungs-Zeitdiagramme zur Erläute rung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Nach Fig. 1 ist ein Akkumulator 1 mit einer Ladestrom quelle 2 verbunden, die über einen Schalter an einer Betriebsspannungsquelle +U_cc liegt. Dieser Schalter wird zwecks Unterbrechung des Ladevorganges von einer Meßablaufsteuerung 7 mittels eines Signals LP gesteu ert. So wird beispielsweise nach einer Ladedauer von jeweils 0,5 min für eine Zeitdauer von beispielsweise 2s der Schalter geöffnet (vergleiche Fig. 4a), so daß während dieser Pause kein Ladestrom I_L in den Akkumula tor 1 fließen kann. Während dieses Meßintervalles er folgt die Messung der Ladespannung mittels eines Spit zenwertspeichers 5. Dieser Spitzenwertspeicher 5 be steht aus einem Komparator K1, einem Zähler 9, einem D/A-Wandler 10 und einem AND-Gatter 5a mit drei Eingän gen. Das Taktsignal für den Zähler 9 liefert ein Oszil lator 4, dessen Ausgangssignal dem ersten Eingang des AND-Gatters 5a zugeführt wird. Der Ausgang des AND-Gat ters 5a ist mit dem Takt-Eingang des Zählers 9 ver bunden. Die aktuelle Ladespannung des Akkumulators 1 wird an den nicht-invertierenden Eingang des Kompara tors K1 angelegt. Diese aktuelle Ladespannung wird mit dem am Ausgang des D/A-Wandlers 10 erzeugten Spannungs wert verglichen, und liegt somit am invertierenden Ein gang des Komparators K1. Dieser Spannungswert ent spricht dem digitalen Zählwert des Zählers 9. Zu Beginn des Ladevorganges liegt an dem invertierenden Eingang des Komparators K1 der niedrigste Zählwert, der kleiner ist als der Wert der Ladespannung. Somit liegt ein H- Pegel am Ausgang dieses Komparators K1, der außerdem auf den zweiten Eingang des AND-Gatters 5a geführt ist.

Die Meßablaufsteuerung 7 erzeugt neben dem LP-Signal für den Lade-Pausen-Zyklus ein Meßfreigabe-Signal MT1 (vergleiche Fig. 4b), das auf den dritten Eingang des AND-Gatters 5a geführt wird. Während also der Kompara tor K1 einen H-Pegel erzeugt, gelangt das Oszillator signal während des H-Pegels des Meßfreigabe-Signals MT1 auf den Takteingang des Zählers 9. Der Zähler beginnt hochzuzählen, wobei jeder Zählwert analogisiert und als Referenzwert dem Komparator K1 zugeführt wird. Somit wird dieser Referenzwert dem Wert der aktuellen Lade spannung nachgeführt.

Fällt die Ladespannung im weiteren Verlauf des Ladevor ganges bzw. liegt der Wert der aktuellen Ladespannung um den Hysteresewert des Komparators K1 unter dem Refe renzwert, schaltet der Ausgang des Komparators K1 auf L-Pegel, mit der Folge, daß kein weiteres Takt-Signal zum Zähler 9 gelangt.

Das Blockschaltbild nach Fig. 1 enthält ferner einen Vorwärts-Rückwärtszähler 3, der von dem oben beschrie benen Spitzenwertspeicher 5 angesteuert wird. Dies er folgt über den Ausgang des Komparators K1, der einer seits über ein AND-Gatter 3b auf den V-Eingang des Vor wärts-Rückwärtszählers 3 geführt ist und andererseits über ein NOT-Gatter 3d und ein weiteres AND-Gatter 3c mit dem R-Eingang des Vorwärts-Rückwärtszählers 3 ver bunden ist. Die beiden AND-Gatter 3b und 3c weisen je weils zwei Eingänge auf, wobei jeweils der eine Eingang zur Taktung des Vorwärts-Rückwärtszählers 3 an den MT1- Eingang der Meßablaufsteuerung 7 angeschlossen ist.

Zu Beginn des Ladevorganges wird dieser Vorwärts-Rück wärtszähler 3 in den vollgezählten Zustand gesetzt. So mit kann bei ansteigender Ladespannung, wenn also diese einen größeren Wert aufweist als der Referenzwert, der Vorwärts-Rückwärtszähler 3 keinen höheren Zählerstand erreichen. Da in diesem Fall der H-Pegel des Kompara torausganges mit dem NOT-Gatter 3d invertiert wird, bleibt dies für den R-Eingang ohne Einfluß. Erst wenn der Komparator K1 auf L-Pegel umschaltet, schaltet der Ausgang des AND-Gatters 3c während des H-Pegels des Meßfreigabe-Signals MT1 auf H-Pegel, so daß der Vor wärts-Rückwärtszähler 3 nun im Rückwärtsbetrieb ar beitet.

Dem Preset-Eingang des Vorwärts-Rückwärtszählers 3 ist ein OR-Gatter 3a mit zwei Eingängen vorgeschaltet, an die ein Power-On-Preset bzw. ein Akkuerkennungs-Reset- Signal angelegt wird.

Dem Vorwärts-Rückwärtszähler 3 ist über eine Bus-Lei tung 6a ein D/A-Wandler 6 und über eine Bus-Leitung 8a eine Anzeigevorrichtung 8 nachgeschaltet. Die Anzeigevorrichtung 8 steuert selbst Anzeigeelemente 8b an.

Der D/A-Wandler 6 erzeugt nunmehr in Abhängigkeit des Zählerstandes des Vorwärts-Rückwärtszählers 3 Spannungswerte zur Steuerung der Ladestromquelle 2. Mit jeder Messung, die kein Nachführen des Referenzwertes erfordert, wird der Vorwärts-Rückwärtszähler dekremen tiert und gleichzeitig der Ladestrom reduziert um eine akkuschonende Restladung zu gewährleisten. Wird der kleinste Ladestromwert unterschritten, so wird nur eine Erhaltungsladung ausgeführt. Der jeweilige Ladezustand wird über die Anzeigeelemente 8b angezeigt.

Die Fig. 2 zeigt nun ein Schaltungsbeispiel des Block schaltbildes nach Fig. 1. Die Spannungsdiagramme nach den Fig. 3 bis 5 dienen zur Erläuterung der Funktion dieser Schaltung.

In der Fig. 2 sind mit den Bezugszeichen 1 bis 4 und 6 bis 8 die gleichen Elemente bezeichnet wie in der Fig. 1, nämlich die zu ladenden Akkumulatoren, eine La destromquelle, ein Vorwärts-Rückwärtszähler, ein Oszil lator, ein D/A-Wandler, eine Meßablaufsteuerung sowie eine Anzeigevorrichtung. Zur Erzeugung von Meßinter vallen erzeugt die Meßablaufsteuerung 7 ein Lade-Pau sen-Zyklus-Signal LP gemäß der Fig. 4a. Hiernach wird nach einer Ladephase von beispielsweise 0,5 min die La destromquelle 2 für beispielsweise eine Zeitdauer von 2s abgeschaltet. Während dieses Meßintervalles erfolgt die Detektion der Ladespannung, während des H-Pegels des ebenfalls von der Meßablaufsteuerung 7 erzeugten Meßfreigabesignals MT1 gemäß Fig. 4b.

Weiterhin erzeugt die Meßablaufsteuerung 7 ein Austast signal MT2 sowie ein MT3-Signal. Das Meßfreigabe-Signal MT1 wird gemäß der Fig. 4b nicht gleichzeitig mit Be ginn des Meßintervalles erzeugt, sondern mit einer Ver zögerung von beispielsweise 20 ms. So können elektrische und elektrochemische Ausgleichsvorgänge, die ansonsten den gemessenen Ladespannungswert verfälschen würden, eliminiert werden. Die Bedeutung der anderen Signale MT2 und MT3 werden im Zusammenhang der jeweiligen Funk tionen erläutert.

Schließlich ist mit den gleichen Bezugszeichen 9 und 10 wie in Fig. 1 auch ein 10-Bit-Zähler und ein diesem nachgeschalteten D/A-Wandler bezeichnet.

Zur Durchführung des Spannungsvergleiches zwischen der Ladespannung und dem von dem D/A-Wandler 10 erzeugten Referenzwert dient nicht nur ein Komparator K1, sondern es sind zusätzlich zwei weitere Komparatoren K2 und K3 vorgesehen. Die Ladespannung der Akkumulatoren 1 wird direkt auf den nicht-invertierenden Eingang des Kompa rators K1 und den invertierenden Eingang des Kom parators K2 geführt, während an den invertierenden Ein gang des Komparators K3 die um 30 mV abgesenkte Lade spannung angelegt wird. Der Ausgang des D/A-Wandlers 10 ist direkt mit dem invertierenden Eingang des Kompara tors K1 und mit dem nicht-invertierenden Eingang des Komparators K3 verbunden. Der nicht-invertierende Ein gang des Komparators K2 wird dagegen mit dem um 10 mV abgesenkten Referenzwert versorgt. Den Ausgängen der drei Komparatoren K1, K2 und K3 ist jeweils ein AND- Gatter 11, 12 und 13 nachgeschaltet, wobei die beiden ersten genannten drei Eingänge und das zuletzt genannte zwei Eingänge aufweist. Weiterhin sind drei RS-Flip- Flop-Schaltungen F1, F2 und F3 vorgesehen, deren S-Ein gang jeweils von einem AND-Gatter 11 oder 12 oder 13 angesteuert wird. Die zweiten Eingänge der AND-Gatter 11 und 12 sind mit dem Q₃-Ausgang des dem AND-Gatter 13 nachgeschalteten RS-Flip-Flops F3 verbunden. Der zweite Eingang des dem Komparator K3 nachgeschalteten AND-Gat ters 13 wird über ein NOT-Gatter 14 mit dem Oszillator- Takt des Oszillators 4 versorgt. Den dritten Eingängen der beiden AND-Gatter 11 und 12 wird das Austast- Signal MT2 (vergleiche Fig. 4c) zugeführt, während das mittels eines NOT-Gatters 20 invertierte Austast-Signal MT2 an die beiden R-Eingänge des den AND-Gattern 11 und 12 nachgeschalteten RS-Flip-Flops F1 und F2 angelegt wird.

Der Ausgang Q_A bzw. Q_B des RS-Flip-Flops F1 bzw. F2 steuert ein Vorwärts-Plausibilitäts-Schieberegister SCH1 bzw. ein Rückwärts-Plausibilitäts-Schieberegister SCH2. Hierfür sind beispielsweise drei Bit-Schiebere gister mit serieller Ein- und Ausgabe vorgesehen.

Als Taktsignal wird diesen beiden Schieberegistern SCH1 und SCH2 das MT3-Signal zugeführt (vergleiche Fig. 4d). Den beiden Schieberegistern SCH1 und SCH2 ist je weils ein AND-Gatter 18 und 19 mit jeweils vier Eingän gen nachgeschaltet, wobei jeweils dem vierten Eingang das mittels eines NOT-Gatters 21 invertierte MT3-Signal zugeführt wird. Das dem Vorwärts-Plausibilitäts-Schie beregister SCH1 nachgeschaltete AND-Gatter 18 steuert den V-Eingang während das dem Rückwärts-Plausibilitäts- Schieberegister SCH2 nachgeschaltete AND-Gatter 19 den R-Eingang des Vorwärts-Rückwärtszählers 3 steuert.

Über eine Bus-Leitung 6a bzw. 8a ist dem Vorwärts-Rück wärtszähler 3 der D/A-Wandler 6 bzw. die Anzeige vorrichtung 8 nachgeschaltet. Die von dem D/A-Wandler 6 erzeugten Steuerspannungen für die Ladestromquelle 2 werden dieser über eine Leitungsverbindung 6b zuge führt.

Zur Erzeugung des Takt-Signals für den Zähler 9 sind drei Gatter vorgesehen, ein AND-Gatter 15 mit zwei Ein gängen, ein weiteres AND-Gatter 16 mit drei Eingängen und schließlich ein OR-Gatter 17, dessen beide Eingänge jeweils von dem AND-Gatter 15 bzw. 16 angesteuert wer den und dessen Ausgang direkt auf den Takt-Eingang des Zählers 9 führt. Der erste Eingang des AND-Gatters 15 ist mit dem Q₃-Ausgang des SR-Flip-Flops F3 verbunden, während dessen zweiter Eingang von dem Ausgang des dem Vorwärts-Plausibilitäts-Schieberegister SCH1 nachge schalteten AND-Gatter 18 gesteuert wird. Der erste Ein gang des anderen AND-Gatters 16 ist mit dem ₃-Ausgang des RS-Flip-Flops F3 angeschlossen, dessen zweitem Ein gang wird das Meßfreigabe-Signal MT1 zugeführt und an dessen drittem Eingang liegt schließlich der Oszil latortakt des Oszillators 4 an.

Mit Beginn eines neuen Ladevorganges, wenn beispiels weise ein neuer Akkumulator eingelegt wird, wird von der Meßablaufsteuerung 7 ein allgemeiner Reset-Impuls R erzeugt, der den Zähler 9, die Flip-Flops F1, F2 und F3 sowie die Schieberegister SCH1 und SCH2 in Grundstel lung bringt, während der Vorwärts-Rückwärtszähler 3 auf seinen maximalen Zählerstand gesetzt wird. Der Ladevor gang beginnt zunächst mit einer Vorladung mit kleinen Strömen für eine Zeitdauer von beispielsweise einer Mi nute wie dies in Fig. 3 für den Teil A der Ladekurve angedeutet ist. Die Vorladung hat die Aufgabe, den Akku auf die darauffolgende Hauptladung vorzubereiten. Diese Hauptladung wird als Schnelladung mit einem hohen Lade strom gemäß dem Teil B der Ladekurve nach Fig. 3 durchgeführt. Mit Beginn der Schnelladung wird auch der Lade-Pausen-Zyklus mittels des LP-Signals (vergleiche Fig. 4a) der Meßablaufsteuerung 7 erzeugt.

Zu Beginn des Schnelladevorganges wird die am Ausgang des D/A-Wandlers stehende Referenzspannung wesentlich kleiner sein als die Ladespannung am Akkumulator 1 Dies hat zur Folge, daß am Ausgang des Komparators K3 ein L-Pegel erzeugt wird, so daß auch das SR-Flip-Flop F3 an seinem Q-Ausgang einen L-Pegel ausgibt. Somit kann an den Ausgängen der beiden AND-Gatter 11 und 12 ebenfalls nur ein L-Pegel erzeugt werden. Der H-Pegel am ₃-Ausgang des SR-Flip-Flops F3 bewirkt, daß während des H-Pegels des Meßfreigabe-Signals MT1 die Oszilla tor-Impulse des Oszillators 4 über das OR-Gatter 17 auf den Takt-Eingang des Zählers 9 gelangen. Dieser Zustand ist in Fig. 5 dargestellt, wo bis zum Zeitpunkt t₁ der Ausgang des Komparators K3 auf L-Pegel (vergleiche Fig. 5b) liegt. Nach den Fig. 5d und 5g wird somit der Zähler 9 mit jeder positiven Flanke des Oszillatortak tes inkrementiert, um eine schnelle Nachführung bis in die Nähe der aktuellen Ladespannung sicherzustellen.

Nähert sich nun die nachgeführte Referenzspannung bis auf 30 mV der aktuellen Ladespannung, schaltet nach Fig. 5b zum Zeitpunkt t₁ der Komparator K3 auf H-Pegel, so daß bei der nächsten negativen Flanke des Os zillatortaktes das SR-Flip-Flop F3 gesetzt wird. Durch die Ausnutzung der negativen Flanke des Oszillators 4 und der damit verbundenen Verzögerung werden eventuell auftretende Spannungsspitzen des D/A-Wandlers 10 wäh rend der Inkrementierung durch die positive Flanke des Oszillatortaktes ausgeblendet. Nunmehr liegt an den zweiten Eingängen der beiden AND-Gatter 11 und 12 als auch an dem ersten Eingang des AND-Gatters 15 ein H-Pe gel. Da nach wie vor die aktuelle Ladespannung größer ist als der Referenzwert erzeugt der Komparator K1 wei terhin einen L-Pegel, der Komparator K2 dagegen einen L-Pegel. Daher wird mit der positiven Flanke des MT2- Signals der S-Eingang des Flip-Flops F1 angesteuert, wobei zuvor wegen der Invertierung des MT2-Signals mit dem NOT-Gatter 20 das SR-Flip-Flop F1 zurückgesetzt wird. Im folgenden wird daher mit jeder positiven Flanke des MT2-Signals ein L-Pegel erzeugt, wie es in Fig. 5e dargestellt ist. Diese Q₁-Impulse werden mit jedem MT3-Signal als Takt in das Vorwärts-Plausibili täts-Schieberegister SCH1 geschoben. Nach drei aufein anderfolgenden Q₁-Impulsen liegt an den drei Ausgängen des Schieberegisters SCH1 ein H-Pegel. Mit der negati ven Flanke des MT3-Signals (vergleiche Fig. 3d) wird dieser H-Pegel an den V-Eingang des Vorwärts-Rückwärts zählers 3 als auch an den zweiten Eingang des AND-Gat ters 15 gelegt. Somit wird während eines Meßintervalles nur ein einziger Takt TDA gemäß Fig. 5g für den Zähler 9 erzeugt. Somit ist eine langsame Annäherung an die aktuelle Ladespannung gewährleistet und eine Über schreitung wird vermieden. Dadurch, daß ein Nachführen des D/A-Wandlers 10 nur erfolgt, wenn mehrmals hinter einander Meßwertvergleiche zum gleichen Ergebnis füh ren, werden einmalige oder mehrmalige positive oder ne gative Spannungsausreißer der Ladespannung sicher aus geblendet. - Gemäß den Fig. 5g und 5h wird somit mit jedem Vorwärtstakt V für den Vorwärts-Rückwärtszähler 3 gleichzeitig auch nur ein Zähltakt TDA für den Zähler 9 weitergegeben.

Wird nun im weiteren Ladeverlauf die Kapazitätsgrenze des Akkumulators erreicht, verhindert die interne Er wärmung ein weiteres Ansteigen der Ladespannung. Dies ist im Teil C der Ladekurve der Fig. 3 angedeutet. Dies hat zur Folge, daß der Komparator K1 auf L-Pegel gemäß Fig. 6a schaltet. Etwas später schaltet der Kom parator K2 auf H-Pegel, wenn die Ladespannung auf einen Wert gesunken ist, der 10 mV unter dem höchsten gespei cherten Referenzwert liegt. Da auch der Komparator K3 einen H-Pegel ausgibt (vergleiche Fig. 6b), ist das RS-Flip-Flop F3 und mit dem H-Pegel des MT2-Signals auch das RS-Flip-Flop F2 gesetzt. Wird mehrmals die gleiche Meßwertdifferenz erkannt, wird mit jeder positiven Flanke des MT2-Signals am Ausgang Q₂ des Flip-Flops F2 ein Impuls gemäß der Fig. 6h er zeugt. Diese Q₂-Impulse werden dem Rückwärts-Plausi bilitäts-Schieberegister SCH2 im Takt des MT3-Signals zugeführt. Die Folge hiervon ist, daß nach drei hinter einanderfolgenden Q₂-Impulsen ein Rückwärtsimpuls gemäß Fig. 6j erzeugt wird, der den Vorwärts-Rückwärtszähler 3 dekrementiert. Dies führt stufenweise zu einer La destromreduzierung über den D/A-Wandler 6. Wird der kleinste Ladestromwert unterschritten, so wird nur noch eine Erhaltungsladung ausgeführt. Dies entspricht dem Teil D der Ladekurve nach Fig. 3.

Die entsprechenden Ladezustände werden mit den Anzeige elementen 8b angezeigt, die von der Anzeigevorrichtung 8 gesteuert werden.

Die gesamte in Fig. 2 gezeigte Schaltung kann als in tegrierter Schaltkreis ausgeführt werden, der nur einen geringen Peripherieaufwand an Bauteilen aufweist und ohne einen Mikroprozessor auskommt.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 kann auch derart ausgestaltet werden, daß bei Beginn des Ladevorganges der Vorwärts-Rückwärtszähler 3 auf den kleinsten Zählerstand gesetzt wird. Es erfolgt eine Dekrementie rung dieses Zählers dann, wenn die aktuelle Ladespan nung größer ist als der Referenzwert und eine Inkrementierung nur dann, wenn die aktuelle Ladespan nung kleiner ist als der maximale gespeicherte Refe renzwert.

Claims

1. Ladeverfahren für Akkumulatoren, insbesondere für NiCd (Nickel-Cadmium)- und NiH (Nickel-Hydrid)-Zellen, mit folgenden Verfahrensschritten:

a) die Akkumulatoren (1) werden mit einer Ladestrom quelle (2) verbunden,
b) zur Erzeugung von Meßintervallen wird die La destromquelle (2) zyklisch für eine bestimmte Zeitdauer von den Akkumulatoren (1) getrennt,
c) während der Dauer der Meßintervalle wird die Lade spannung mit einem Referenzwert zyklisch vergli chen,
d) falls der Wert der Ladespannung größer ist als der Referenzwert wird dieser Referenzwert zur Anglei chung an den aktuellen Wert der Ladespannung um einen bestimmten Betrag erhöht und anschließend gespeichert,
e) dagegen wird die Anzahl der Meßzyklen gezählt, bei denen aufeinanderfolgend der Wert der gemessenen Ladespannung gleich oder kleiner ist als der höchste gespeicherte Referenzwert und
f) schließlich wird bei einem vorgegebenen Zählwert die Ladestromquelle (2) abgeschaltet oder der La destrom (_L) reduziert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch fol gende Merkmale:

g) zur Bestimmung des Zählwertes ist ein Vorwärts- Rückwärtszähler (3) vorgesehen, der bei Beginn des Ladevorganges auf den höchsten bzw. niedrigsten Zählerstand gesetzt wird,
h) bei Speicherung eines aktualisierten Referenz wertes wird der Vorwärts-Rückwärtszähler (3) in den Vorwärtsbetrieb bzw. Rückwärtsbetrieb gesteu ert und
i) der Vorwärts-Rückwärtszähler (3) wird dagegen in den Rückwärtsbetrieb bzw. Vorwärtsbetrieb gesteu ert, falls der aktuelle Wert der Ladespannung kleiner ist als der gespeicherte Referenzwert.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit des Zählerstandes des Vorwärts- Rückwärtszählers (3) der Ladestrom (I_L) eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestrom (I_L) in Ab hängigkeit des Zählwertes stufenweise reduziert wird.

5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) der Vergleich der aktuellen Ladespannung mit dem Referenzwert sowie dessen Speicherung wird mit ei nem Spitzenwertspeicher (5) durchgeführt,
b) zur Erzeugung des Taktes für den Spitzenwertspei cher (5) ist ein Impulsgenerator (4) vorgesehen,
c) weiterhin steuert dieser Spitzenwertspeicher (5) in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses den Vor wärts-Rückwärtszähler (3) und
d) schließlich wird dem Vorwärts-Rückwärtszähler (3) ein D/A-Wandler (6) nachgeschaltet, dessen Ausgang eine Steuerspannung für die Ladestromquelle (2) liefert.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die dem Spitzen wertspeicher (5) je Meßintervall nur einen Takt zufüh ren, falls der im Spitzenwertspeicher (5) gespeicherte Referenzwert um einen vorgegebenen geringen Betrag kleiner ist als der Wert der aktuellen Ladespannung.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem V-Eingang des Vor wärts-Rückwärtszählers (3) ein Schieberegister (SCH1) vorgeschaltet ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem R-Eingang des Vor wärts-Rückwärtszählers (3) ein weiteres Schieberegister (SCH2) vorgeschaltet ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch einen Spitzenwertspeicher (5), der den Vorwärts-Rückwärtsspeicher (3) erst dann in den Rückwärts- bzw. Vorwärtsbetrieb steuert, wenn die aktu elle Ladespannung um einen bestimmten geringen Wert un ter den maximalen gespeicherten Referenzwert abgesunken ist.