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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Batterieladegerät zum Laden
wiederaufladbarer Batterien, wie beispielsweise Nickel-Kadmium-Batterien
(nachstehend auch als "Ni-Cad-Batterie" bezeichnet) und ein
Verfahren zum Aufladen einer Batterie gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bzw.
24. Ein derartiges Batterieladegerät und Verfahren sind bekannt
aus
EP 444 617 A2 .
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Im
Stand der Technik wurden bereits verschiedene Batterieladegeräte zum Laden
wiederaufladbarer Batterien vorgeschlagen. Im allgemeinen ermitteln
Batterieladegeräte
den vollständigen
Ladungszustand und beenden die Aufladung, wenn der Volladezustand
ermittelt wurde. Infolge von Variationen der Menge der Restladung
in der Batterie wird allerdings gelegentlich der Volladezustand
fehlerhaft festgestellt. Einige Batterien, beispielsweise Ni-Cad-Batterien,
können
mit einer schnellen Aufladungsrate geladen werden, werden jedoch
leicht beschädigt
oder zerstört,
wenn ein hoher Ladungsstrom aufrechterhalten wird, nachdem der Volladezustand erreicht
wurde. Wird allerdings die Ladung unterbrochen, bevor der Volladezustand
erreicht wurde, so ist die Batterie nicht ausreichend aufgeladen.
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Die
gleiche Schwierigkeit tritt bei Universal-Batterieladegeräten auf, die unterschiedliche
Arten von Batterien aufladen können,
wenn die Anzahl der Zellen, welche die Batterie bilden, falsch ermittelt wird.
Die Ermittlung der Anzahl der Zellen ist dafür erforderlich, um die Spannung
zu ermitteln, bis zu welcher die Batterie aufgeladen werden soll.
Ist die ermittelte Anzahl der Zellen kleiner als die tatsächliche Anzahl,
so wird die Batterie überladen,
wogegen dann, wenn die ermittelte Anzahl an Zellen größer als die
tatsächliche
Anzahl ist, die Batterie nicht ausreichend aufgeladen wird.
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Aus
EP 444 617 A2 ist
die Erfassung eines speziellen Punktes C auf einer Batteriespannungskurve
bekannt. Nachdem dieser Punkt erfasst worden ist, wird ein Maximum
A oder eine Spannung, die um Δ V
geringer als das Maximum A ist, erfasst, und daraus der Volladezustand
bestimmt. Aus US-PS 5049803 ist die Bestimmung der Zellenzahl auf
der Grundlage der Leerlaufspannung der Batterie bekannt. Dieses
Verfahren ist anwendbar auf Bleiakkumulatoren, die nicht tief entladen
werden. Aus
EP 480648
A2 ist die Aufladung einer Batterie durch selektives Schnellladen
oder Normalladen bekannt, abhängig
von der Temperatur und der Spannung der Batterie.
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Die
vorliegende Erfindung wurde zur Lösung der voranstehend geschilderten
Schwierigkeiten entwickelt, und daher besteht die der vorliegenden
Erfindung zugrundeliegende Aufgabe in der Bereitstellung eines Batterieladegeräts, welches
exakt eine Batterie bis zu einem Volladezustand aufladen kann, und
eines entsprechenden Verfahrens.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst wie in
den Ansprüchen
1 und 24 angegeben. Bevorzugte Ausführungsbeispiele ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
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Zur
Lösung
der voranstehenden Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung ein
Batterieladegerät zum
Aufladen einer wiederaufladbaren Batterie zur Verfügung, welches
(a) eine Ladestromversorgungseinrichtung aufweist, (b) eine Spannungserfassungseinrichtung,
(c) eine Batteriestatusermittlungseinrichtung, und (d) eine Steuer-
oder Regeleinrichtung. Die Ladestromversorgungseinrichtung liefert
einen Ladestrom an die Batterie. Die Spannungserfassungseinrichtung
mißt eine
Spannung über
der Batterie und gibt ein Batteriespannungssignal aus, welches die Spannung über der
Batterie anzeigt. Die Batteriestatuserfassungseinrichtung stellt
den Status der Batterie in der Hinsicht fest, ob die Batterie schwach
oder stark aufgeladen ist. Die Batteriestatuserfassungseinrichtung
stellt den Status der Batterie auf der Grundlage einer Bezugsspannung
und eines ersten Batteriespannungssignals fest, welches die Spannung über der
Batterie zu einem Zeitpunkt anzeigt, nachdem ein vorbestimmter Zeitraum
seit dem Beginn der Ladung abgelaufen ist. Die Steuereinrichtung
steuert die Ladung der Batterie auf der Grundlage des Status der
Batterie, der durch die Batteriestatuserfassungseinrichtung festgestellt
wurde. Die Steuereinrichtung weist eine Volladeerfassungseinrichtung
auf, um festzustellen, daß die
Batterie einen Volladezustand erreicht hat, auf der Grundlage der Spannung,
die durch das Batteriespannungssignal angezeigt wird. Die Steuereinrichtung
beendet die Aufladung, wenn von der Volladeerfassungseinrichtung
der Volladezustand ermittelt wurde.
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Gemäß einem
Beispiel der Erfindung ist die Bezugsspannung eine Spannung über der
Batterie, die durch die Spannungserfassungseinrichtung zu Beginn
der Aufladung ermittelt wird. Die Batteriestatuserfassungseinrichtung
berechnet eine Änderung der
Spannung über
der Batterie über
den vorbestimmten Zeitraum, und ermittelt, daß die Batterie niedrig aufgeladen
ist, wenn die Änderung
der Spannung über
der Batterie kleiner oder gleich einem vorbestimmten Wert ist, und
ermittelt, daß die
Batterie hoch aufgeladen ist, wenn die Änderung der Spannung über der
Batterie größer als
der vorbestimmte Wert ist.
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Bei
einem weiteren Beispiel für
die Erfindung stellt die Bezugsspannung einen vorbestimmten festen
Wert dar. In diesem Fall ermittelt die Batteriestatuserfassungseinrichtung,
daß die
Batterie niedrig aufgeladen ist, wenn die durch das erste Batteriespannungssignal
angezeigte Spannung niedriger als der vorbestimmte feste Wert ist,
und daß die
Batterie hoch aufgeladen ist, wenn die durch das erste Batteriespannungssignal
angezeigte Spannung höher
als der vorbestimmte feste Wert ist.
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Gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel der
Erfindung werden (a) eine Ladestromversorgungseinrichtung, (b) eine
Spannungserfassungseinrichtung, (c) eine erste Batteriestatuserfassungseinrichtung,
(d) eine zweite Batteriestatuserfassungseinrichtung, (e) eine Zeiteinstelleinrichtung,
und (f) eine Steuereinrichtung zur Verfügung gestellt. Die Ladestromzufuhreinrichtung
liefert einen Ladestrom an die Batterie. Die Spannungserfassungseinrichtung
ermittelt eine Spannung über
der Batterie und gibt ein Batteriespannungssignal aus, welches die Spannung über der
Batterie anzeigt. Die erste Batteriestatuserfassungseinrichtung
stellt einen Status der Batterie in der Hinsicht fest, ob die Batterie
tief entladen wurde oder nicht. Die Batteriestatuserfassungseinrichtung
stellt den Status der Batterie auf der Grundlage einer Bezugsspannung
und eines ersten Batteriespannungssignals fest, welches die Spannung über der
Batterie zu einer Zeit anzeigt, bevor der Ladestrom durch die Ladestromversorgungseinrichtung
an die Batterie geliefert wird. Die zweite Batteriestatuserfassungseinrichtung
stellt den Status der Batterie in der Hinsicht fest, ob die Batterie
niedrig geladen oder hoch geladen ist. Die zweite Batteriestatuserfassungseinrichtung
stellt den Status der Batterie auf der Grundlage einer Bezugsspannung und
eines ersten Batteriespannungssignals fest, welches die Spannung über der
Batterie zu einem Zeitpunkt angibt, nachdem eine Vorlaufladezeit
seit Beginn der Ladung verstrichen ist. Die Zeiteinstelleinrichtung
stellt eine Dauer der Vorlaufladezeit entsprechend dem Status der
Batterie ein, der von der ersten Statuserfassungseinrichtung ermittelt
wurde. Die Steuereinrichtung steuert die Ladung der Batterie auf der
Grundlage des Status der Batterie, der durch die zweite Batteriestatuserfassungseinrichtung
festgestellt wurde. Die Steuereinrichtung weist eine Volladungserfassungseinrichtung
auf, um zu ermitteln, daß die
Batterie einen Volladezustand erreicht hat, auf der Grundlage der
durch das Batteriespannungssignal angezeigten Spannung. Die Steuereinrichtung beendet
die Ladung, wenn der Volladezustand durch die Volladeerfassungseinrichtung
festgestellt wurde.
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Wenn
die erste Statuserfassungseinrichtung feststellt, daß die Batterie
nicht tief entladen wurde, wird die Vorlaufladezeit auf eine erste
Dauer eingestellt. Stellt die erste Statuserfassungseinrichtung fest,
daß die
Batterie tief entladen wurde, so wird die Dauer der Vorlaufladezeit
auf eine zweite Dauer eingestellt, die länger ist als die erste Dauer.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
außerdem
die Bereitstellung eines universellen Batterieladegeräts, welches
exakt die Anzahl der Zellen feststellen kann, welche die Batterie
bilden, wodurch die Batterie, abhängig von der auf diese Weise
festgestellten Anzahl der Zellen, vollständig aufgeladen werden kann.
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Die
Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele
näher erläutert, aus
welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:
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1 ein
Schaltbild der Hardware-Anordnung des Batterieladegeräts gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ein
Flußdiagramm
zur Beschreibung eines Betriebsablaufs einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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3 eine
grafische Darstellung einer Ladecharakteristik einer Batterie, die
niedriggeladen ist, und weiterhin eine Differentialkurve zweiter
Ordnung der Ladecharakteristik;
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4 eine
grafische Darstellung einer Ladecharakteristik einer Batterie, die
hochgeladen ist, und weiterhin eine Differentialkurve zweiter Ordnung
der Ladecharakteristik;
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5 eine
grafische Darstellung einer Ladecharakteristik einer Batterie, die
niedriggeladen ist, und weiterhin eine Differentialkurve zweiter
Ordnung der Ladecharakteristik;
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6 eine
grafische Darstellung einer Ladecharakteristik einer Batterie, die
hochgeladen ist, und weiterhin eine Differentialkurve zweiter Ordnung
der Ladecharakteristik gemäß der ersten
Ausführungsform
der Erfindung;
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7A und 7B Flußdiagramme
zur Beschreibung des Betriebs einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung;
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8 eine
grafische Darstellung der Ladecharakteristik von Batterien, die
unterschiedliche Anzahlen an Zellen aufweisen;
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9 eine
grafische Darstellung einer Lade/Entladecharakteristik einer Batterie,
die niedrig geladen ist;
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10 eine
grafische Darstellung einer Lade/Entladecharakteristik einer schwach
geladenen Batterie gemäß der zweiten
Ausführungsform
der Erfindung;
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11 ein
Flußdiagramm
zur Beschreibung des Betriebsablaufs einer dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung;
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12 eine
grafische Darstellung einer Lade/Entladecharakteristik einer hoch
geladenen Batterie gemäß der dritten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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13 eine
grafische Darstellung einer Lade/Entladecharakteristik einer niedrig
geladenen Batterie gemäß der dritten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Zuerst
wird unter Bezug auf 1 eine Hardware-Anordnung des
Batterieladegeräts
gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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Um
eine wiederaufladbare Batterie 2 durch das in 1 gezeigte
Batterieladegerät
zu laden, wird die Batterie 2 zwischen eine Gleichrichter/Glättungsschaltung 30 (die
nachstehend beschrieben wird) und Masse geschaltet. Die Batterie 2 besteht aus
mehreren Zellen, die in Reihe geschaltet sind.
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Das
Batterieladegerät
weist einen Widerstand 3 auf, der als Strommeßeinrichtung
dient, um einen in der Batterie 2 fließenden Ladestrom zu ermitteln.
Eine Gleichrichter/Glättungsschaltung 10 ist an
eine Wechselspannungsquelle 1 angeschlossen, um die Wechselspannung
in eine Gleichspannung umzuwandeln. Die Schaltung 10 weist
einen Vollweggleichrichter 11 und einen Glättungskondensator 12 auf.
Eine Umschaltschaltung 20 ist an den Ausgang der Gleichrichter/Glättungsschaltung 10 angeschlossen
und weist einen Hochfrequenztransformator 21 auf, einen
MOSFET 22 und einen die Impulsbreitenmodulation (PWM) steuernden
IC 23. Dieser IC 23 ändert die Breite der Treiberimpulse,
die an den MOSFET 22 angelegt werden. Durch die Schaltvorgänge, die
von dem MOSFET 22 durchgeführt werden, wird auf der Sekundärseite des
Transformators 21 eine pulsierende Spannung entwickelt.
Eine weitere Gleichrichter/Glättungsschaltung 30 ist
an den Ausgang der Umschaltschaltung 20 angeschlossen. Die
Schaltung 30 weist Dioden 31, 32, eine
Drosselspule 33, und einen Glättungskondensator 34 auf. Eine
Batteriespannungsmeßeinrichtung 40 ist
parallel zur Batterie 2 geschaltet und besteht aus zwei
Widerständen 41 und 42,
die in Reihe geschaltet sind, so daß die Spannung über der
Batterie 2 entsprechend dem Verhältnis der Widerstände der
beiden Widerstände
geteilt wird. Der Ausgang der Batteriespannungsmeßeinrichtung 40 wird
vom Verbindungspunkt der Widerstände 41 und 42 abgenommen.
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Das
Batterieladegerät
weist weiterhin einen Ein-Chip-Mikrocomputer 50 auf,
der eine CPU 51, ein ROM 52, ein RAM 53,
einen Taktgeber 54, einen Analog/Digitalwandler 55,
einen Ausgangsanschluß 56,
und einen Rücksetzeingabeanschluß 57 aufweist,
die jeweils an eine Busleitung angeschlossen sind. Eine Ladestromsteuer-
oder Regeleinrichtung 60 ist zwischen die Strommeßeinrichtung
(Widerstand) 3 und die Umschaltschaltung 20 geschaltet, um
den Ladestrom auf einem vorbestimmten Pegel zu halten. Die Ladestromsteuereinrichtung 60 weist in
Kaskade geschaltete Operationsverstärker 61 und 62 auf,
Widerstände 63 bis 67,
und einen Analogschalter 68, der beispielsweise durch einen
CMOSIC Nr. 4066 verwirklicht werden kann.
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Weist
der Ladestrom den Wert I1 auf, so wird der
Analogschalter 68 EIN geschaltet, in Reaktion auf ein Signal,
welches von dem Ausgangsanschluß 56 des Mikrocomputers 50 zugeführt wird,
wodurch der Verstärkungsfaktor
des Operationsverstärkers 61 der ersten
Stufe erhöht
wird, wogegen dann, wenn der Ladestrom auf I2 erhöht wird
(I1 < I2), der Analogschalter 68 AUS geschaltet
wird, in Reaktion auf ein von dem Ausgangsanschluß 56 zugeführtes Signal,
wodurch der Verstärkungsfaktor
des Operationsverstärkers 61 der
ersten Stufe verringert wird. Eine Signalübertragungseinrichtung einschließlich eines
Fotokopplers 5 ist zwischen die Ladestromsteuereinrichtung 60 und
die Umschaltschaltung 20 geschaltet. Ein weiterer Fotokoppler 4,
der ebenfalls als Signalübertragungseinrichtung
dient, ist zwischen den Mikrocomputer 50 und die Umschaltschaltung 20 geschaltet.
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Eine
Konstantspannungsquelle 70 ist dafür vorgesehen, konstante Spannungen
an den Mikrocomputer 50 und an die Ladestromsteuereinrichtung 60 zu
liefern. Die Konstantspannungsquelle 70 weist einen Transformator 71 auf,
einen Vollweggleichrichter 72, einen Glättungskodensator 73,
einen Spannungsregler 74 mit drei Anschlüssen, und
einen Rücksetz-IC 75.
Der Rücksetz-IC 75 gibt
ein Rücksetzsignal
an die Rücksetzeingangsklemme 57 des Mikrocomputers 50 aus,
um diesen zurückzusetzen. Eine
Ladungsanzeigeeinrichtung 80 ist zwischen die Konstantspannungsquelle 70 und
die Ausgangsklemme 56 des Mikrocomputers 50 geschaltet,
um den Fortschritt der Ladung der Batterie 2 anzuzeigen. Die
Ladeanzeigeeinrichtung 80 weist eine LED 81 und
einen Widerstand 82 auf.
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Nachstehend
wird eine erste Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die erste Ausführungsform
ist dazu ausgelegt, Ni-Cad-Batterien aufzuladen, bei welcher ein Δ2V-Erfassungsverfahren
dazu verwendet wird, den Volladezustand der Batterie zu ermitteln.
Bei dem Δ2V-Erfassungsverfahren
wird die Batterie als vollständig geladen
angesehen, wenn das Differential zweiter Ordnung der Ladecharakteristik
negativ wird.
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Ni-Cad-Batterien
zeigen zwei Arten der Ladungscharakteristik, abhängig davon, ob vor dem Aufladen
die Batterie schwach oder hoch aufgeladen ist. 3 zeigt
eine Ladecharakteristik und deren Differentialkurve zweiter Ordnung
bei einer Ni-Cad-Batterie mit niedriger Ladung. Wie gezeigt, wird
das Differential zweiter Ordnung der Ladecharakteristik zweimal
negativ. Der erste Negativwert erscheint unmittelbar nach dem Beginn
der Ladung, und der zweite Negativwert erscheint zu dem Zeitpunkt,
wenn der Volladezustand erreicht ist. Je niedriger der ursprüngliche
Ladepegel der Batterie ist, desto deutlicher wird der erste Negativwert.
Andererseits zeigt eine Ni-Cad-Batterie mit hohem Ladezustand eine
in 4 gezeigte Ladecharakteristik. In diesem Fall wird
das Differential zweiter Ordnung der Ladecharakteristik nur einmal
zum Zeitpunkt der vollen Ladung negativ. Falls die Ladung der Batterie
angehalten wird, wenn der erste Negativwert festgestellt wird, so
würde die
Batterie mit hoher Ladung ausreichend geladen, jedoch würde die
Batterie mit einer niedrigen Ladung nur wenig geladen. Eine Lösung zur
ausreichenden Ladung einer niedrig geladenen Batterie besteht darin,
daß eine
ausreichende Dauer einer Stillhaltezeit eingestellt wird, so daß der zuerst
auftauchende Negativwert des Differentials zweiter Ordnung nicht
ermittelt wird. Zwar würde
hierdurch eine niedrig geladene Batterie ausreichend aufgeladen, jedoch
würde eine
stärker
geladene Batterie überladen
werden, da sie während
der Stillhaltezeit vollständig
aufgeladen würde.
Angesichts der voranstehenden Erwägungen wird gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung der Status der Batterie in der Hinsicht,
ob die Batterie stark oder schwach aufgeladen ist, ermittelt, und
die Stillhaltezeit nur dann eingestellt, wenn die Batterie schwach geladen
ist.
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Unter
Bezugnahme auf die Hardware-Anordnung von 1 und das
Flußdiagramm
in 2 wird nachstehend der Betrieb der ersten Ausführungsform beschrieben.
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Wird
das Batterieladegerät
mit Strom versorgt, so fordert der Mikrocomputer 50 einen
Benutzer dazu auf, die Batterie 2 anzuschließen, und
stellt fest, ob die Batterie 2 angeschlossen ist (Schritt 1). Der
Anschluß der
Batterie wird durch den Mikrocomputer 50 auf der Grundlage
der Signalpegeländerung von
der Batteriespannungsmeßeinrichtung 40 festgestellt.
Dann gibt der Mikrocomputer 50 ein Ladungsstartsignal von
der Ausgangsklemme 56 an den PWM-Steuer-IC 23 über die
Signalübertragungseinrichtung 4 aus,
um hierdurch die Vorlaufladung mit einem Strom I1 zu
beginnen (Schritt 2). Der Strommeßwiderstand 3 erfaßt den in
der Batterie fließenden
Ladestrom, und eine Differenz zwischen dem ermittelten Strompegel
und einem Bezugspegel wird auf den PWM-Steuer-IC 23 zurückgekoppelt, über die
Ladestromsteuereinrichtung 60 und die Signalübertragungseinrichtung 5.
Ist der Ladestrom größer als
der Bezugspegel, so wird die Impulsbreite von dem PWM-Steuer-IC 23 verengt,
wogegen dann, wenn der Ladestrom kleiner als der Bezugspegel ist, die
Impulsbreite vergrößert wird.
Der Hochfrequenztransformator 21 führt Umschaltvorgänge entsprechend
der Impulsbreite aus, die durch den Impulsbreitensteuer-IC 23 festgelegt
ist. Die pulsierende Spannung am Ausgang der Umschaltschaltung 20 wird
in der Gleichrichter/Glättungsschaltung 30 in eine
Gleichspannung umgewandelt. Auf diese Weise wird die Batterie 2 mit
einem Konstantstrom I1 geladen, und eine
Rückkopplungsregelung
wird durch eine Rückkopplungsschaltung
verwirklicht, welche den Strommeßwiderstand 3, die
Ladungsstromsteuereinrichtung 60, die Signalübertragungseinrichtung 5,
die Umschaltschaltung 20 und die Gleichrichter/Glättungsschaltung 30 aufweist,
um so den Ladestrom konstant zu halten.
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Zur
Erfassung des Anfangsstatus der Batterie 2 berechnet der
Mikrocomputer 50 die Steigung der progressiv ansteigenden
Batteriespannung während
eines vorbestimmten Zeitraums t1; seit dem
Beginn der Aufladung. Die Batterie 2 wird so beurteilt, daß die Menge
der Restladung zum Beginn der Ladung klein war, so daß die Batterie
also schwach geladen ist, wenn die auf diese Weise berechnete Steigung
kleiner oder gleich einem vorbestimmten Bezugspegel ist (Schritt 3).
Wird ein derartiger Status der Batterie 2 festgestellt,
so wird eine Stillhaltezeit T2 eingestellt
(Schritt 4), und der Ladestrom wird auf einen Wert I2 erhöht,
um die Ladezeit zu verkürzen (Schritt 5),
wie in 5 gezeigt. Während
der Stillhaltezeit T2 wird keine Berechnung
des Differentials zweiter Ordnung der Batteriespannung durchgeführt. Dies
führt dazu,
daß die
Aufladung der Batterie nicht angehalten wird, bevor diese vollständig aufgeladen ist.
Ist das Ergebnis der Ermittlung im Schritt 3 "NEIN", so wird festgestellt,
daß die
Restladung der Batterie groß ist,
diese also noch stark geladen ist. In diesem Fall wird, wie in 6 gezeigt,
die Ladung mit dem Ladestrom I1 weitergeführt, um
eine Überladung der
Batterie 2 zu verhindern, und die Anzeigeeinrichtung 80 wird
eingeschaltet, um den Benutzer darüber zu informieren, daß die Ladung
der Batterie bald beendet sein wird (Schritt 6).
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Als
nächstes
führt der
Mikrocomputer 50 eine Berechnung des Differentials zweiter
Ordnung der Batteriespannung durch (Δ2V).
Zu diesem Zweck stellt der Mikrocomputer 50 die Batteriespannung
Vin in einem vorgegebenen Intervall t fest (Schritt 7).
Im einzelnen liest der Mikrocomputer 50 das Ausgangssignal
der Batteriespannungsmeßeinrichtung 40 und speichert
das entsprechende Digitalsignal in dem RAM 53 (Schritt 7).
In dem darauffolgenden Schritt 8 wird die vorher erfaßte Batteriespannung
Vpre von der momentan erfaßten
Batteriespannung Vin subtrahiert, um die Änderung ΔVin der Batteriespannung zu
ermitteln, und weiterhin wird ΔVpre,
welches die Änderung
der Batteriespannung angibt, die vorher berechnet wurde, von ΔVin subtrahiert,
um Δ2V zu erhalten (Schritt 8).
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Daraufhin
wird festgestellt, ob der auf diese Weise erhaltene Wert von Δ2V
negativ oder positiv ist (Schritt 9). Ist er positiv, dann
wird die momentan erfaßte
Batteriespannung Vin in Vpre umbenannt, und ΔVin entsprechend in ΔVpre (Schritt 10).
Nachdem die Zeitdauer t abgelaufen ist ("JA" im
Schritt 11), wird die Bearbeitung in den Schritten 7 bis 9 erneut durchgeführt. Wird
im Schritt 9 ermittelt, daß Δ2V negativ
ist, so gibt der Mikrocomputer 50 ein Ladestoppsignal an
den Impulsbreitensteuer-IC 23 durch die Signalübertragungseinrichtung 4 aus,
um hierdurch den Ladevorgang anzuhalten (Schritt 12). Daraufhin wird
festgestellt, ob die Batterie 2 abgeklemmt ist (Schritt 13).
Falls dies der Fall ist ("NEIN" im Schritt 13),
dann kehrt das Programm zum Schritt 1 zurück, in welchem
das Batterieladegerät
den Benutzer dazu auffordert, eine weitere Batterie 2 zur
Wiederaufladung anzuschließen.
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Als
nächstes
wird eine zweite Ausführungsform
der Erfindung beschrieben. Die zweite Ausführungsform betrifft ein Universal-Batterieladegerät, welches
jede Art von Batterien mit unterschiedlichen Anzahlen an Zellen
aufladen kann. Auch bei der zweiten Ausführungsform erfolgt eine Ermittlung
der Volladung durch Einsatz des Δ2V-Erfassungsverfahrens. Anders als bei der
ersten Ausführungsform
allerdings erfolgt eine Ermittlung, ob die Batterie schwach oder
stark geladen ist, abhängig
vom Pegel der Spannung, welchen die Batterie erreicht hat, nachdem
eine Vorladung einen vorbestimmten Zeitraum angedauert hat.
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Wie
aus 8 hervorgeht, unterscheidet sich in Abhängigkeit
von der Anzahl an Zellen die Ladecharakteristik, so daß es erforderlich
ist, die Anzahl an Zellen exakt zu erfassen, bevor eine Batterie
mit dem Universalladegerät
geladen wird. Wird die Anzahl der Zellen falsch ermittelt, so wird,
wie nachstehend erläutert,
die Batterie nicht ordnungsgemäß aufgeladen
werden können.
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Es
wird nun mehr angenommen, daß eine Batterie
mit einer Zellenanzahl von n tief entladen wurde, auf einen Pegel
nahe an Null, wie in 9 gezeigt. Um die Anzahl der
Zellen festzustellen und zu ermitteln, ob die Batterie schwach oder
stark geladen ist, wird die Batterie zunächst über die Dauer eines Zeitraums
t1 mit einem Ladestrom I1 geladen.
Die Batteriespannung Vt1, die nach Ablauf
der Zeit t1 erreicht wird, wird aufeinanderfolgend
mit jedem mehrerer Schwellenwerte verglichen, nämlich (n – i)Va,
..., (n – 1)va, nva, (n + 1)va, ..., (n + i)va,
die entsprechend der Anzahl an Zellen eingestellt sind, und die
Zellenanzahl wird als (n – 1)
ermittelt, also um eins kleiner als die tatsächliche Zellenanzahl. Auf der
Grundlage dieses "unrichtigen" Ergebnisses erfolgt
eine Ermittlung, ob die Batterie schwach oder stark geladen ist, nämlich durch
den Vergleich der Batteriespannung Vt1 mit
einem Bezugspegel (n – 1)Vb entsprechend dem Schwellenwert (n – 1)Va. Da die Batteriespannung Vt1 oberhalb
des Bezugspegels (n – 1)Vb liegt, wird ermittelt, daß die Batterie
stark geladen ist. Dies führt
dazu, daß die
Stillhaltezeit nicht eingestellt wird, und daher wird die Ladung
der Batterie zu einem Zeitpunkt abgebrochen, wenn der erste auftauchende
Negativwert des Differentials zweiter Ordnung ermittelt wird. Angesichts
der voranstehenden Ausführungen
beurteilt die zweite Ausführungsform
der Erfindung, ob die Batterie tief entladen wurde, vor dem Beginn
der Ladung, und die Dauer der Vorlaufladezeit wird variiert, so
daß die
Anzahl der Zellen exakt festgestellt werden kann.
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Wie
aus dem Flußdiagramm
der 7A und 7B hervorgeht,
fordert dann, wenn das Batterieladegerät eingeschaltet wird, der Mikrocomputer 50 den
Benutzer dazu auf, eine Batterie 2 anzuschließen, und
stellt fest, ob die Batterie 2 angeschlossen ist (Schritt 101).
Der Anschluß der
Batterie 2 wird durch den Mikrocomputer 50 auf
der Grundlage des Signalpegels ermittelt, welcher von der Batteriespannungsmeßeinrichtung 40 zugeführt wird.
Um den Status der aufzuladenden Batterie 2 zu ermitteln,
erfährt
das Ausgangssignal von der Batteriespannungsmeßeinrichtung 40 eine
Analog/Digitalwandlung durch den Analog/Digitalwandler 55,
und das sich ergebende Digitalsignal wird als Anfangsbatteriespannung
Vin0 in den Mikrocomputer 50 eingegeben (Schritt 102).
Nach Ablauf einer Zeit T1 ("JA" im Schritt 103)
erfährt
das Ausgangssignal von der Batteriespannungsmeßeinrichtung 40 wiederum
eine Analog/Digitalwandlung, und das sich ergebende Digitalsignal
wird als eine Batteriespannung Vin1 in den Mikrocomputer 50 eingegeben
(Schritt 104). Daraufhin wird eine Änderung der Batteriespannung ΔVin während der
Zeitdauer t1 dadurch erhalten, daß Vin0 von
Vin1 subtrahiert wird, und weiterhin wird eine Bezugsspannung ΔVref von ΔVin subtrahiert,
um ΔVs zu
erhalten (Schritt 105).
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Daraufhin
erfolgt eine Ermittlung, ob ΔVs
positiv ist oder nicht (Schritt 106). Ist ΔVs negativ,
so wird der Status der Batterie so ermittelt, daß die Batterie normal entladen
wurde, oder daß die
Batterie länger
als einen bestimmten Zeitraum nicht gebraucht wurde. Wird die Batterie
auf diese Weise beurteilt, so wird eine Vorlaufladezeit t1 eingestellt. Nunmehr gibt der Mikrocomputer 50 ein
Ladestartsignal von der Ausgangsklemme 56 an den Impulsbreitensteuer-IC 23 über die
Signalübertragungseinrichtung 40 aus,
um hierdurch die Aufladung mit einem Strom I1 zu
beginnen (Schritt 107). Nachdem seit dem Beginn der Ladung
der Zeitraum t1 verstrichen ist ("JA" im Schritt 108),
erfährt
das Ausgangssignal von der Batteriespannungsmeßeinrichtung 40 erneut
eine Analog/Digitalwandlung, und das sich ergebende Digitalsignal
wird als eine Batteriespannung Vt1 in den Mikrocomputer 50 eingegeben
(Schritt 109). Dann wird die Batteriespannung Vt1 aufeinanderfolgend mit jedem der mehreren
Schwellenwerte verglichen, nämlich
(n – i)Va, ..., (n – 1)va,
nva, (n + 1)va,
..., (n + i)va, die entsprechend der Anzahl
der Zellen eingestellt sind, um die Anzahl der Zellen zu ermitteln (Schritt 110).
Weiterhin wird auf der Grundlage eines Wertes, der durch Subtrahieren
von nVb von Vt1 (Schritt 111) ermittelt
wird, festgestellt, ob die Batterie schwach oder stark geladen ist.
Ist der subtrahierte Wert negativ, so wird festgestellt, daß die Restladungsmenge
in der Batterie gering ist, die Batterie also schwach geladen ist,
und wenn eine derartige Ermittlung erfolgt, wird eine Stillhaltezeit
T2 eingestellt (Schritt 112), und
der Ladestrom wird auf I2 erhöht, wie
in 5 gezeigt ist (Schritt (119). Während der
Stillhaltezeit T2 wird keine Berechnung
des Differentials zweiter Ordnung durchgeführt. Ist die Ermittlung im
Schritt 111 "NEIN", so wird festgestellt,
daß die
Restladungsmenge in der Batterie hoch ist, also die Batterie stark
geladen ist. In diesem Fall wird, wie in 6 gezeigt,
die Ladung mit dem Ladestrom I1 fortgesetzt,
um eine Überladung
der Batterie zu verhindern (Schritt 113).
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Ist
das Ergebnis der im Schritt 106 durchgeführten Ermittlung "JA", also wenn ΔVs positiv
ist, so wird festgestellt, daß sich
die Batterie in einem Zustand unmittelbar nach einer Tiefentladung
befindet. In diesem Fall wird, wie in 10 gezeigt,
ein längerer
Vorladungszeitraum t2 (t2 > t1)
eingestellt, und die Ladung der Batterie wird mit dem Ladestrom
I1 begonnen (Schritt 114). Nach
Ablauf der Vorladezeit t2 (Schritt 115)
wird das Ausgangssignal von der Batteriespannungsmeßeinrichtung 40 analog-digital
gewandelt, und das sich ergebende Digitalsignal als eine Batteriespannung
Vt2 in den Mikrocomputer 50 eingegeben
(Schritt 116). Dann wird aufeinanderfolgend die Batteriespannung
Vt2 mit jedem der mehreren Bezugspegel nva, (n + 1)Va verglichen,
um die Anzahl der Zellen festzustellen (Schritt 117). Weiterhin wird
eine Stillhaltezeit T3 eingestellt (T3 ≧ T2) (Schritt 118). Zum selben Zeitpunkt
wird der Ladestrom auf I2 erhöht (Schritt 119).
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Daraufhin
führt der
Mikrocomputer 50 eine Berechnung des Differentials zweiter
Ordnung der Ladespannung über
der Batterie (Δ2V) durch, welche sich nunmehr entwickelt.
Das Ausgangssignal von der Batteriespannungsmeßeinrichtung 40 wird
zur Analog/Digitalwandlung an den Analog/Digitalwandler 55 angelegt,
und das sich ergebende Digitalsignal wird als VinX and
den Mikrocomputer 50 angelegt (Schritt 120). In
dem darauffolgenden Schritt 121 wird die vorher eingegebene
Batteriespannung VpreX von dem Wert VinX subtrahiert, um ΔVinX zu
erhalten, und weiterhin wird ΔVpreX, welches die vorher berechnete Änderung
der Batteriespannung angibt, von ΔVinX subtrahiert, um Δ2V zu
erhalten (Schritt 121). Daraufhin wird festgestellt, ob
der auf diese Weise erhaltene Wert von Δ2V negativ
oder positiv ist (Schritt 122). Ist er positiv, so wird
VinX zu VpreX umbenannt,
und ΔVinX zu ΔVpreX (Schritt 123). Nach Ablauf des
Zeitraums t ("JA" im Schritt 124)
wird die Bearbeitung in den Schritten 120 bis 122 wiederholt
ausgeführt. Wird
im Schritt 122 festgestellt, daß Δ2V negativ
ist, so gibt der Mikrocomputer 50 ein Ladestoppsignal an den
PWM-Steuer-IC 23 über die
Signalübertragungseinrichtung 4 aus,
um hierdurch die Aufladung zu unterbrechen (Schritt 125).
Daraufhin wird festgestellt, ob die Batterie 2 abgeklemmt
ist (Schritt 126). Ist dies der Fall ("NEIN" im
Schritt 126), dann geht das Programm zum Schritt 101 über, in
welchem das Batterieladegerät
den Benutzer dazu auffordert, eine weitere Batterie 2 zur
Wiederaufladung anzuschließen.
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Gemäß der zweiten
Ausführungsform
kann die Anzahl der Batteriezellen exakt festgestellt werden, und
jede Art von Batterie vollständig
aufgeladen werden, unabhängig
vom Status der Batterie.
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Schließlich wird
eine dritte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung beschrieben. Wie die zweite Ausführungsform,
betrifft auch die dritte Ausführungsform
Universal-Batterieladegeräte.
Bei dieser Ausführungsform
wird der Volladezustand festgestellt, wenn die Batteriespannung
eine Abschneidespannung erreicht hat, die geringfügig niedriger
eingestellt ist als der Spitzenwert der Batteriespannung.
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Die
dritte Ausführungsform
verwendet dieselbe Hardware-Anordnung
wie in 1. Das Flußdiagramm
der dritten Ausführungsform
ist in 11 gezeigt, und ist ähnlich wie
das Flußdiagramm
der 7A und 7B. Die
Schritte 201 bis 206 sind gleich den Schritten 101 bis 106,
so daß keine
erneute Beschreibung erfolgt. Darüber hinaus sind auch die Zellenanzahl-Identifizierungs-Prozeduren
(Schritte 207 bis 210) gleich den Schritten 107 bis 110.
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Nachdem
die Zellenanzahl festgestellt wurde, wird eine Abschneidespannung
nVo entsprechend der Zellenanzahl eingestellt
(Schritt 215). Wenn die Batteriespannung die Abschneidespannung
erreicht hat, so wird festgestellt, daß sich die Batterie im Volladezustand
befindet, und daher wird die Aufladung unterbrochen. Darüber hinaus
wird der Ladestrom auf einen höheren
Pegel I2 eingestellt (Schritt 216).
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Wird
im Schritt 206 ermittelt, daß ΔVs positiv ist, dann wird festgestellt,
daß die
Batterie 2 tief entladen wurde. Unter Einstellung einer
längeren
Vorladezeit t2 (t2 > t1)
wird die Ladung der Batterie 2 mit dem Ladestrom I1 begonnen (Schritt 211). Nach Ablauf
der Vorladezeit t1 (Schritt 212)
wird die Batteriespannung Vt2 eingegeben
(Schritt 213), und die eingegebene Batteriespannung Vt2 wird mit jeder von mehreren Bezugsspannungen
nVa verglichen, um die Anzahl (n) der Zellen
festzustellen, welche in der Batterie 2 vorhanden sind
(Schritt 214). Abhängig von
der auf diese Weise ermittelten Anzahl an Zellen wird eine Abschneidespannung
nVo eingestellt (Schritt 215),
und der Ladestrom auf I2 erhöht (Schritt 216).
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Daraufhin
wird eine Prozedur zur Ermittlung des Volladezustands der Batterie
ausgeführt.
Bei dieser Prozedur wird das Ausgangssignal der Batteriespannungsmeßeinrichtung 40 über den
Analog/Digital-Wandler 55 gelesen (Schritt 217),
und die ermittelte Batteriespannung Vin wird mit der Abschneidespannung
nVo verglichen. Dieser Vergleich hält an, bis die
Subtraktion der Abschneidespannung nVo von der
Batteriespannung Vin zu einem positiven Wert führt ("NEIN" im
Schritt 218). Wenn die im Schritt 218 vorgenommene
Entscheidung "NEIN" wird, dann gibt der
Mikrocomputer 50 ein Ladestoppsignal von seiner Ausgangsklemme 56 an
den PWM-Steuer-IC 23 über die
Signalübertragungseinrichtung 4 aus,
um hierdurch die Ladung zu unterbrechen (Schritt 219). Daraufhin
kehrt, nachdem bestätigt
wurde, daß die Batterie 2 herausgenommen
wurde (Schritt 220), das Programm zum Schritt 201 zurück, um auf
den Anschluß einer
weiteren Batterie zu warten.
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Eine
Ladecharakteristikkurve einer Batterie, die normal entladen wurde,
ist in 12 gezeigt, und eine Ladecharakteristikkurve
einer Batterie, die tief entladen wurde, ist in 13 gezeigt.