DE4243710C2

DE4243710C2 - Ladeverfahren für Akkumulatoren und Schaltanordnung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE4243710C2
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: 1998-07-30
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: US5352967A; DE4243710A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Ladeverfahren zum Laden von Akkumulatoren, insbesondere NiCd (Nickel-Cadmium)- und NiH (Nickel-Hydrid)-Zellen. Ferner wird eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfingungsgemäßen Verfahrens angegeben.

Eine Ladeanordnung für Akkumulatoren ist aus der DE-30 44 659 A1 bekannt. Bei dieser bekannten Ladeanordnung wird zu Beginn des Ladevorganges dem Akkumulator ein Ladestrom zugeführt und gleichzeitig dessen gerade vorhandene Ladespannung mittels einer Wandlereinheit abgetastet und ge speichert. Nach Ablauf einer bestimmten Zeit, die an den jeweiligen Akku mulatortyp angepaßt ist, wird der gespeicherte Spannungswert mit der momentanen am Akkumulator vorhandenen Ladespannung verglichen. Ist die Ladespannung des Akkumulators seit des letzten Vergleichsvorganges angestiegen, wird der neue Wert in den Speicher übernommen und bis zum nächsten Vergleich gespeichert.

Die Wandlereinheit der bekannten Schaltungsanordnung besteht aus einem Komparator, der den Vergleich der Ladespannung mit dem gespeicherten Spannungswert vergleicht, einem dem Komparator nachgeschalteten UND- Gatter, das seinerseits einen Oszillator ansteuert. Die von diesem Oszillator erzeugten Impulse werden einem Zähler zugeführt, dessen Zählerstand von einem nachgeschalteten D/A-Wandler als Referenzwert analogisiert und ei nem Eingang des Komparators zugeführt wird.

Ferner weist die bekannte Schaltungsanordnung eine Ablaufsteuerung auf, die über das UND-Gatter die Meßvorgänge sowie den Abschaltvorgang steu ert. Von dieser Ablaufsteuerung wird beispielsweise alle 15 Minuten ein Meßvorgang mit einer Meßdauer von beispielsweise 3 Sekunden ausgelöst.

Ist dabei der Wert der Ladespannung größer als der von dem D/A-Wandler ausgegebenen Referenzwert, erhält der Oszillator einen Startimpuls zur Er zeugung von Impulsen, die von dem Zähler gezählt werden. Der jeweilige Stand des Zählers wird von dem D/A-Wandler in einen entsprechenden ana logen Referenzwert umgesetzt. Dieser analoge Referenzwert erhöht sich so lange, wie der Oszillator aktiv ist und der Zähler dessen Impulse zählt. Er reicht der Referenzwert den gleichen Wert wie die Ladespannung, wird der Oszillator gestoppt und der Zähler bleibt auf dem nunmehr erreichten Zäh lerstand stehen. Dieser analogisierte Zählerstand dient als neuer Referenz wert für die nächste Meßphase.

Diese Meßphasen werden so lange wiederholt, bis die Ladespannung kleiner als der zuletzt gespeicherte Referenzwert ist. In diesem Fall wird der Lade vorgang durch die Ablaufsteuerung beendet.

Die Ablaufsteuerung bei dieser bekannten Schaltungsanordnung kann auch so ausgebildet sein, daß der Ladevorgang erst beendet wird, wenn ein mehrmaliger Vergleich der Ladespannung und des von dem D/A-Wandler er zeugten Referenzwertes erfolgte.

Das bei dieser bekannten Schaltungsanordnung verwendete Ladeverfahren verwendet als Abschaltkriterium des Ladevorganges das Abfallen der Lade kurve nach dem völligen Aufladen der Akkumulatoren. Werden Akkumulato ren, insbesondere NiCd und NiH-Akkumulatoren, mit einer Konstant stromquelle geladen, steigt die Ladespannung stetig an, und zwar solange die Zelle die zugeführte Energie in chemische Energie umzusetzen vermag. Nachdem die Akkumulatoren die zugeführte Energie nicht mehr speichern können, wird diese in Wärme umgesetzt und die Zellenspannung sinkt dabei ab, wobei gleichzeitig das Ladeende erkannt wird, weshalb ein solches La deverfahren auch -Delta-U-Ladung genannt wird.

Dieses bekannte Verfahren ist jedoch nur bei solchen Akkumulatorentypen anwendbar, die eine Hochstrom-Ladung zulassen. Dieses Ladeverfahren selbst hat den Nachteil, daß während des Schnelladevorganges Oberflä cheneffekte in der Zelle stattfinden, die zu Schwankungen der Akku- Spannung führen und einen vorzeitigen Abbruch des Ladevorganges bewir ken.

Ein weiterer Nachteil der oben beschriebenen bekannten Schaltungsanord nung besteht darin, daß die während des Ladevorganges gemessene La despannung zu schlechten Ladeergebnissen führt, da dieser Spannungswert auch solche Widerstandskomponenten enthält, die auf dem Lei tungswiderstand, dem Elektrodenwiderstand und dem Elektrolytwiderstand beruhen und nicht nur auf dem elektrochemischen Zellenpotential, das an sich den Ladezustand eines Akkumulators am besten wiedergibt.

Aus der DE 40 33 119 A1 ist ebenfalls eine Schaltungsanordnung zum Laden von Akkumulatoren bekannt, die zyklisch eine Messung der Ladespannung veranlaßt und ein Vergleich dieser Ladespannung mit der in der voran gehenden Meßphase ermittelten Ladespannung durchgeführt. Hierzu ist ein Mikrocomputer vorgesehen, der den Ladevorgang fortsetzt und den aktuel len Ladespannungswert speichert, wenn diese aktuelle Ladespannung klei ner als die vorhergehende Ladespannung ist. Der Mikrocomputer unter bricht dagegen den Ladevorgang, wenn die aktuelle Ladespannung kleiner als die vorhergehende gespeicherte Ladespannung und diese Spannungsdif ferenz V einen bestimmten Wert aufweist. Die bekannte Schal tungsanordnung benützt also die -Delta-U-Methode als Abschaltkriterium. Zur Durchführung der Meßphasen wird der zu ladende Akkumulator kurzfri stig von der Ladestromquelle getrennt. Diese bekannte Schaltungsan ordnung weist jedoch einen komplizierten Aufbau auf, insbesondere benö tigt sie einen Mikrocomputer.

Der Vollständigkeit halber wird noch auf die DE 41 12 977 A1 verwiesen, die eine Vorrichtung zur Bestimmung des Ladezustandes eines Akkumulators beschreibt. Ein diesen Ladezustand wiedergebender Zählerstand einer elek tronischen Zählvorrichtung wird beim Betrieb eines an den Akkumulator angeschlossenen Verbrauchers proportional in einer ersten Richtung verän dert. Weiterhin sind Mittel zur proportionalen Veränderung dieses Zähler standes in der entgegengesetzten Richtung beim Aufladen des Akkumula tors vorgesehen. Hierdurch können auch Teilladungen und gleichzeitig Ent lade- und Ladevorgänge bei der Simulation berücksichtigt werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Ladeverfahren ZUM Laden von Akkumulatoren, insbesondere NiCd- und NiH-Akkumulatoren anzugeben, das die verfügbare Nutzkapazität der zu ladenden Zellen maximal ausnutzt und gleichzeitig weitgehenden Schutz gegen eine Überladung bietet.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Hiernach wird während der Meßintervalle der zu ladende Akkumulator von der Ladestromquelle getrennt. Während der Dauer der Meßintervalle wird die Ladespannung mit einem Referenzwert zyklisch verglichen und in Ab hängigkeit des Vergleichsergebnisses ein Vorwärts-Rückwärtszähler ange steuert, der bei Beginn des Ladevorganges auf den höchsten oder niedrig sten Zählerstand gesetzt ist. Falls der Wert der Ladespannung größer ist als der Referenzwert wird dieser Referenzwert zur Angleichung an den aktuel len Wert der Ladespannung um einen bestimmten Betrag erhöht und an schließend gespeichert und der auf den höchsten Zählerstand gesetzte Vorwärts-Rückwärtszähler (3) in den Vorwärtsbetrieb gesteuert oder der auf den niedrigsten Zählerstand gesetzte Vorwärts-Rückwärtszähler (3) in den Rückwärtsbetrieb gesteuert. Falls jedoch der Wert der gemessenen La despannung gleich oder kleiner ist als der höchste gespeicherte Referenz wert wird der auf den höchsten Zählerstand gesetzte Vorwärts- Rückwärtszähler (3) in den Rückwärtsbetrieb gesteuert oder der auf den niedrigsten Zählerstand gesetzte Vorwärts-Rückwärtszähler (3) in den Vor wärtsbetrieb gesteuert und schließlich wird bei einem vorgegebenen Zäh lerstand des Vorwärts-Rückwärtszählers (2) die Ladestromquelle (2) abge schaltet oder der Ladestrom (I_L) reduziert. Als Ladestopp-Kriterium dient da bei eine bestimmte Anzahl dieser Meßzyklen.

Vorzugsweise kann in Abhängigkeit des Zählerstandes des Vorwärts- Rückwärtszählers der Ladestrom eingestellt werden.

Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird der La destrom in Abhängigkeit des Zählerstandes stufenweise reduziert. 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 Schaltungsan ordnung zu verwirklichen. Dies wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 4 gelöst. Hiernach ist ein Spitzenwertdetektor vorge sehen, der den Spannungsvergleich zwischen dem Referenzwert und der Ladespannung durchführt sowie die Nachprüfung dieses Referenzwertes vornimmt. 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 da durch realisiert werden kann, daß Zählausgänge des Vorwärts- Rückwärtszählers mit Widerständen gewichtet sind. Diese erfindungsgemä ße Schaltungsanordnung kommt mit minimiertem Peripherieaufwand und ohne den Einsatz eines Mikroprozessors aus.

Gemäß einer besonderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schal tungsanordnung ist der Spietzenwertspeicher so ausgebildet, daß ihm zur Nachführung des Referenzwertes an die Ladespannung je Meßintervall nur ein Takt zugeführt wird, falls der Referenzwert nur noch einen geringen Be trag kleiner ist als der Wert der aktuellen Ladespannung. In vorteilhafterwei se wird eine langsame Annährung an die aktuelle Ladespannung gewährlei stet, wodurch eine Überschreitung der maximalen Ladespannung, die ansich das optimale Abschaltkriterium darstellt, im wesentlichen vermieden wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn dem V-Eingang des Vorwärts- Rückwärtszählers ein Schieberegister vorgeschaltet ist. Hierdurch erfolgt ei ne Überprüfung der Meßwerte auf Plausibilität. Ein Nachführen des Refe renzwertes erfolgt also nur dann, wenn mehrmals hintereinander die Meß wertvergleiche zum gleichen Ergebnis führen. Den gleichen Vorteil weist ei ne weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung aus, wo dem R-Eingang des Vorwärts-Rückwärtszählers ebenfalls ein Schiebe register vorgeschaltet ist. Somit können in vorteilhafterweise einmalige oder mehrmalige positive oder negative Spannungsausreißer der Ladespan nung, die durch zelleninterne Oberflächeneffekte erzeugt werden, auf si chere Weise ausgeblendet werden.

Schließlich ist bei einer letzten vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ein Spitzenwertspeicher vorgesehen, der den Vorwärts-Rückwärtsspeicher erst dann in den Rückwärts- oder Vorwärtsbetrieb steuert, wenn die aktuelle La despannung um einen bestimmten geringen Wert unter den maximalen ge speicherten Referenzwert abgesunken ist.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sowie deren vorteilhafte Wei terbildungen kommen mit minimiertem Peripherieaufwand und ohne den Einsatz eines Mikroprozessors aus.

Im folgenden Soll die Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen dargestellt und erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1: Ein Blockschaltbild zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2: eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des erfindungs gemäßen 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 erfindungsge mäßen Verfahrens und

Fig. 6: weitere Spannungs-Zeitdiagramme zur Erläuterung des erfin dungsgemäßen Verfahrens.

Nach Fig. 1 ist ein Akkumulator 1 mit einer Ladestromquelle 2 verbunden, die über einen Schalter an einer Betriebsspannungsquelle +U_cc liegt. Dieser Schalter wird zwecks Unterbrechung des Ladevorganges von einer Meßab laufsteuerung 7 mittels eines Signals LP gesteuert. So wird beispielsweise nach einer Ladedauer von jeweils 0,5 min für eine Zeitdauer von beispiels weise 2 s der Schalter geöffnet (vergleiche Fig. 4a), so daß während dieser Pause kein Ladestrom I_L in den Akkumulator 1 fließen kann. Während dieses Meßintervalles erfolgt 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 2 s 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-Gattern 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 Q₃-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 Q₃-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 H-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. 4d) 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-Hybrid)-Zellen, mit folgenden Verfahrensschrit ten:

a) die Akkumulatoren (1) werden mit einer Ladestromquelle (2) verbunden,
b) zur Erzeugung von Meßintervallen wird die Ladestromquelle (2) zyklisch für eine bestimmte Zeitdauer von den Akkumulatoren (1) getrennt,
c) während der Dauer der Meßintervalle wird die Ladespannung mit einem Referenzwert zyklisch verglichen und in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses ein Vorwärts-Rückwärtszähler (3) angesteuert, der bei Beginn des Ladevorganges auf den höchsten oder niedrigsten Zählerstand gesetzt ist,
d) falls der Wert der Ladespannung größer ist als der Referenzwert wird dieser Referenzwert zur Angleichung an den aktuellen Wert der Ladespannung um einen bestimmten Betrag erhöht und anschließend gespeichert und der auf den höchsten Zählerstand gesetzte Vorwärts-Rückwärtszähler (3) in den Vorwärtsbetrieb gesteuert oder der auf den niedrigsten Zählerstand gesetzte Vorwärts-Rückwärtszähler (3) in den Rückwärtsbetrieb gesteuert,
e) falls der wert der gemessenen Ladespannung gleich oder kleiner ist als der höchste gespeicherte Referenzwert wird der auf den höchsten Zählerstand gesetzte Vorwärts-Rückwärtszähler (3) in den Rückwärtsbetrieb gesteuert oder der auf den niedrigsten Zählerstand gesetzte Vorwärts-Rückwärtszähler (3) in den Vorwärtsbetrieb gesteuert und
f) schließlich wird bei einem vorgegebenen Zählerstand des Vorwärts- Rückwärtszählers (2) die Ladestromquelle (2) abgeschaltet oder der Ladestrom (10) reduziert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in Abhängigkeit des Zählerstandes des Vorwärts-Rückwärtszählers (3) der Ladestrom (I_L) eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Ladestrom (I_L) in Abhängig keit des Zählwertes stufenweise reduziert wird.

4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit folgenden Merkmalen:

a) der Vergleich der aktuellen Ladespannung mit dem Referenzwert sowie dessen Speicherung wird mit einem Spitzenwertspeicher (5) durchgeführt,
b) zur Erzeugung des Taktes für den Spitzenwertspeicher (5) ist ein Impulsgenerator (4) vorgesehen,
c) weiterhin steuert dieser Spitzenwertspeicher (5) in Abhängigkeit des Vergleichsergebnisses den Vorwärts-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.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, wobei Mittel vorgesehen sind, die dem Spitzenwertspeicher (5) je Meßintervall nur einen Takt zuführen, falls der im Spitzenwertspeicher (5) gespeicherte Referenzwert um einen vorgegebenen geringen Betrag kleiner ist als der Wert der aktuellen Ladespannung.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei dem V- Eingang des Vorwärts-Rückwärtszählers (3) ein Schieberegister (SCH1) vorgeschaltet ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei dem R- Eingang des Vorwärts-Rückwärtszählers (3) ein weiteres Schieberegister (SCH2) vorgeschaltet ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei ein Spitzenspeicher (5) vorgesehen ist, der den Vorwärts-Rückwärtsspeicher (3) erst dann in den Rückwärts- oder Vorwärtsbetrieb steuert, wenn die aktuelle Ladespannung um einen bestimmten geringen Wert unter den maximalen gespeicherten Referenzwert abgesunken ist.