DE4332533C2 - Verfahren zur Kompensation des Einflusses der Umgebungstemperatur auf das Abschaltkriterium Temperaturgradient beim Schnelladen von Akkumulatoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

Beim Schnelladen von NiCd- bzw. NiMH-Akkus ist ein sehr zuverlässiges und exaktes Ladeschlußkriterium der Tempera­ turanstieg, den eine Akkuzelle durch innere Erwärmung er­ fährt, wenn sie vollgeladen ist, d. h. die zugeführte elek­ trische Energie nicht mehr chemisch binden kann und über eine einsetzende Gasrekombination in Wärmeenergie umsetzt. Ein Problem dabei stellt allerdings der Einfluß der Umge­ bungstemperatur dar, da ein Temperaturunterschied zwischen Akku und Umgebung naturgemäß eine Änderung der Akkutempera­ tur zur Folge hat, die wiederum die Auswertung des Tempera­ turgradienten des Akkus in der Weise beeinflußt, daß entwe­ der die Akkuladung zu früh oder unbegründet oder zu spät bzw. gar nicht abgeschaltet wird. Speziell in Anwendungen mit großen Schwankungen der Umgebungstemperatur bzw. großen Temperaturunterschieden zwischen Akku und Umgebung, wie sie beispielsweise bei Mobilfunkgeräten in Kraftfahrzeugen auf­ treten, stellt der Temperaturgradient bisher ein nicht aus­ wertbares Abschaltkriterium dar.

Andere Abschaltkriterien, auf die daher zurückgegriffen wurde, haben jedoch gravierende Nachteile. Dies gilt bei­ spielsweise für das Absoluttemperaturkriterium oder die Minus-Delta-U-Methode. Beim Abschalten der Absoluttemperatur wird bereits im Normalfall der Akku deutlich und unter un­ günstigen Umständen erheblich überladen, was sich sehr nega­ tiv auf die Lebensdauer des Akkus auswirkt. Ebenso führt auch die Minus-Delta-U-Methode zu Problemen, wenn z. B. beim Einsatz im Fahrzeug der Ladestrom wegen zusammenbrechender Versorgungsspannung (Anlassen des Motors) sich verringert und infolge davon auch die Ladespannung einbricht, was dann fälschlicherweise als Minus-Delta-U-Kriterium gewertet wer­ den kann. Bei NiMH-Akkus ist diese Methode wegen des extrem flachen Spannungsverlaufs am Ende der Ladung ohnehin proble­ matisch.

Aus US 5 166 596 A ist es bekannt, Ladebedingungen in Ab­ hängigkeit von der Temperatur unterschiedlich zu wählen und daher die Umgebungstemperatur zu berücksichtigen. Aus DE 37 05 222 A1 ist es bekannt, beim Ladeverfahren den zeit­ lichen Temperaturgradienten zu beobachten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Lö­ sung anzugeben für ein Verfahren zur Kompensation des Ein­ flusses der Umgebungstemperatur auf das Abschaltkriterium Temperaturgradient beim Schnelladen von Akkumulatoren.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren der eingangs be­ schriebenen Art gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß der von einer Meßschaltung ermittelte Temperaturgradient vor der Überprüfung auf den Grenzwert um einen der Temperatur­ differenz zwischen Umgebungstemperatur und Akkutemperatur entsprechenden Wert korrigiert wird mit einem zu addierenden Korrekturwert, der negativ ist für den Fall, daß die Umge­ bungstemperatur über der Akkutemperatur liegt und positiv für den Fall, daß die Umgebungstemperatur unter der Akkutem­ peratur liegt. Dabei ist vorgesehen, daß der Korrekturwert in der Weise ermittelt wird, daß der sich bei einer bestimm­ ten Temperaturdifferenz ergebende Temperaturgradient gemessen, der Qualität aus gemessenem Temperaturgradienten und Temperaturdifferenz berechnet wird und das Produkt aus diesem so berechneten Wert und der tat­ sächlichen Temperaturdifferenz gebildet wird.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Diagrammen näher erläutert.

Vorab wird der Verfahrensablauf bei der Kompensation des Einflusses der Umgebungstemperatur auf das Abschaltkriterium Temperaturgradient noch kurz beschrieben: Der Temperaturgra­ dient wird von einer Meßschaltung ermittelt und um einen der Temperaturdifferenz zwischen Umgebungstemperatur und Akku­ temperatur entsprechenden Wert korrigiert, bevor er auf den Grenzwert überprüft wird. Bei Umgebungstemperaturen über der Akkutemperatur ist der zu addierende Korrekturwert negativ, bei Umgebungstemperaturen unter der Akkutemperatur ist er positiv.

Der Korrekturwert kann unter realen Bedingungen ermittelt werden. Dabei ist der Temperaturgradient (Temperaturänderung pro Zeiteinheit) zu messen, der sich bei einer bestimmten Temperaturdifferenz (dT/dt pro K Temperaturdifferenz) ergibt und der Quotient aus Temperaturgradient und Temperaturdiffe­ renz

zu bilden. Der Korrekturwert ergibt sich dann aus dem Produkt dieses so ermittelten Wertes mit der tat­ sächlichen Temperaturdifferenz.

In Fig. 1 ist in einem Diagramm die Anpassung der Akkutem­ peratur an die Umgebung ohne Energiezufuhr durch Ladestrom dargestellt. Dabei ist die Temperatur T über der Zeit t aufgetragen. Die Umgebungstemperatur ist mit 25°C angenom­ men. Die Anfangstemperatur des Akkus beträgt 15°C. Von diesem Anfangswert nähert sich die Akkutemperatur innerhalb einer bestimmten Zeit der Umgebungstemperatur. An die Tempe­ raturkurve ist im Anfangsbereich die Tangente angelegt, die den Temperaturgradienten darstellt, d. h. die Temperaturände­ rung pro Zeiteinheit : dT/dt = 0,5 K/min.

Im Diagramm nach Fig. 2 ist der reale Verlauf der Akkutem­ peratur beim Laden als Funktion der Zeit aufgetragen. Die Umgebungstemperatur ist hierbei mit 35°C angenommen. Der Temperaturanstieg bis ca. 50 min. ist überwiegend durch die höhere Umgebungstemperatur verursacht, danach durch die Energiezufuhr mit dem Ladestrom, die nicht mehr chemisch gebunden werden kann. Nach ca. 60 min ist die Umgebungstem­ peratur erreicht und die Akkutemperatur steigt steil an.

Fig. 3 zeigt den realen Verlauf der Temperatursteigung, d. h. das Verhältnis dT/dt als Funktion der Zeit t. Bei einem Wert dT/dt = 0,8 ist eine strichlierte Linie als Grenzwert für den Temperaturgradienten eingezeichnet. Die Kurve der Temperatursteigung fällt von einem Wert dT/dt = 1 nach etwa 50 min auf einen Wert von annähernd dT/dt = 0,1 ab und steigt dann sehr steil an. Es gibt dabei zwei Bereiche der Kurve über der Grenzwertlinie für den Temperaturgradienten. Der erste Bereich liegt im fallenden Abschnitt der Kurve und würde zu einem ungewünschten Abschalten der Akkuladung füh­ ren, der zweite Bereich im positiven Anstiegsbereich der Kurve bildet den gewünschten Abschaltpunkt.

Aus der Differenz von Umgebungstemperatur und Akkutemperatur wird ein Korrekturwert ermittelt, der im Diagramm nach Fig. 4 dargestellt ist. Hierbei ist wiederum der Wert dT/dt über der Zeit aufgetragen. Von einem Anfangswert 1,0 fällt der Korrekturwert allmählich gegen Null ab (nach ca. 50-60 min).

In Fig. 5 ist die kompensierte Steigung als Differenz der tatsächlichen Steigung und dem Korrekturwert dargestellt. Es handelt sich dabei also um eine Differenzbildung der Kurve nach Fig. 3 minus der Kurve nach Fig. 4. Der erste, abfal­ lende Kurventeil der Temperatursteigung von Fig. 3 ist dabei nahezu kompensiert. Es ist lediglich ein nicht kompen­ sierter, um die Nullachse pendelnder Restfehler vorhanden, der hauptsächlich durch die Digitalisierung und die nachfol­ gende Differenzierung entsteht. Für den Abfallzeitpunkt der Schnelladung des Akkumulators ist nunmehr ein eindeutiger Wert gegeben.

Unter Zugrundelegung der vorstehend beschriebenen Diagramme wird in einer beispielshaften Ausführung bei einer Tempera­ turdifferenz von 10 K (Umgebung = 25°C, Akku = 15°C) eine Erwärmung des Akkus von 0,5 K/min gemessen. Als Abschaltwert für den Schnelladestrom wurde anhand der Meßkurve an diesem Akku 0,8 K/min festgelegt. Eine um 20 K höhere Umgebungstem­ peratur erwärmt den Akku um 1 K/min. Um wirklich abzuschal­ ten, muß jedoch durch die Korrektur ein Temperaturgradient von 1,8 K/min überschritten werden. Ist jedoch die Umge­ bungstemperatur 20 K unter der Akkutemperatur, so ist ein Abkühlen des Akkus um weniger als 0,2 K/min bereits ein Abschaltgrund.

Claims (1)

1. Verfahren zur Kompensation des Einflusses der Umgebungs­ temperatur auf das Abschaltkriterium zeitlicher Temperaturgradient beim Schnelladen von Akkumulatoren, dadurch gekennzeichnet, daß
   ein von einer Meßschaltung ermittelter erster Temperaturgradient vor der Überprüfung auf den Grenzwert für die Abschaltung um einen einer ersten Temperaturdifferenz zwischen Umgebungstemperatur und Akkutemperatur entsprechenden Wert korrigiert wird mit einem zu addierenden Korrekturwert, der negativ ist für den Fall, daß die Umge­ bungstemperatur über der Akkutemperatur liegt und positiv für den Fall, daß die Umgebungstemperatur unter der Akkutem­ peratur liegt, wobei
   der Korrekturwert in der Weise ermittelt wird,
   daß ein sich bei einer bestimmten zweiten Temperaturdifferenz ergebender zweiter Temperaturgradient gemessen, der Quotient aus zweitem gemessenem Temperaturgradienten und der bestimmten zweiten Temperaturdifferenz berechnet wird, und das Produkt aus diesem so berechneten Wert und der tatsächlichen ersten Temperaturdifferenz gebildet wird.