DE4403207A1 - Verfahren zum Laden einer Batterie und insbesondere einer Traktionsbatterie - Google Patents

Verfahren zum Laden einer Batterie und insbesondere einer Traktionsbatterie

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DE4403207A1
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Matthias Dipl Ing Voelkel
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BENNING ELEKTROTECHNIK
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H01M10/44Methods for charging or discharging
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/00712Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters
    • H02J7/00714Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery charging or discharging current
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer Batterie und insbesondere einer Traktionsbatterie mit einer mit steigender Ladespannung und fallendem Ladestrom arbeitenden Ladecharakteristik (W-Ladekennlinie), bei dem der La­ devorgang beendet wird, nachdem unter Berücksichtigung von Netzspan­ nungsschwankungen an der Primärseite des Ladetransformators der an der Sekundärseite bereitgestellte Ladestrom einen Konstantwert erreicht hat.
Akkumulatorenbatterien und insbesondere Traktionsbatterien werden heute nahezu ausschließlich nach zwei Methoden geladen, welche sich anhand der verwendeten Kennlinien unterscheiden lassen. Bei dem Ladevorgang nach der sogenannten IU-Kennlinie wird in der ersten Ladephase mit konstantem Strom geladen, anschließend dann mit konstanter Spannung und fallendem Strom. Diese Ladetechnik erfordert einen relativ hohen technischen Aufwand, so daß Batterieladungen gemäß der IU-Kennlinie insbesondere zum Laden von Trak­ tionsbatterien in Großladeanlagen verwendet werden, wobei u. a. die Möglich­ keit schneller Zwischenladungen genutzt wird.
Bei der W-Ladekennlinie erfolgt die Ladung während der gesamten Zeitdauer bei steigender Spannung und fallendem Ladestrom. Nachteilig bei diesem ansonsten sehr einfachen, aber wirkungsvollen Ladeverfahren ist eine sehr starke Netzabhängigkeit der Kennlinie, die es ohne weitergehende Maßnahmen nahezu unmöglich macht, ein sicheres Abschaltkriterium zur Beendigung des Ladevorgangs zu finden. Abschaltkriterium ist nämlich bei den in der Praxis verwendeten Geräten mit W-Kennlinie, daß eine Überwachung der Batteriespannung erfolgt und beim Erreichen eines festen Spannungswertes eine konstante oder variable Nachladezeit eingeleitet wird. Ein weiteres bewährtes Kriterium für die Erkennung einer vollgeladenen Batterie ist, daß der Ladestrom über eine vorgegebene Zeit einen konstanten oder zumindest nahezu konstanten Verlauf aufweist. Die Erkennung eines konstanten Stromverlaufes setzt jedoch voraus, daß keine nennenswerten Stromschwan­ kungen auftreten, wie sie bei starken Netzspannungsschwankungen unaus­ weichlich sind.
Um Netzspannungsschwankungen von vornhinein auszuschließen und damit ein sicheres Abschaltkriterium zur Beendigung des Ladeverfahrens zu erhalten, ist in der DE 29 08 544 C2 beschrieben worden, anstelle eines ungeregelten und ungesteuerten Ladungstransformators einen magnetischen Span­ nungskonstanthalter zu verwenden, mit dem sich Netzspannungsänderungen während des Ladens der Traktionsbatterie sicher aussteuern lassen. Ein sol­ cher magnetischer Spannungskonstanthalter stellt jedoch ein regelndes bzw. stabilisierendes Bauelement innerhalb des Leistungskreises des Batterieladege­ rätes dar, so daß die technische Realisierung in der Regel aufwendig ist. Die­ ser Aufwand steht in einem ungünstigen Verhältnis zu dem überaus einfachen und bewährten Ladeprinzip gemäß der unstabilisierten W-Kennlinie.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein mit fallendem La­ destrom arbeitendes Verfahren zum Laden einer Batterie und insbesondere ei­ ner Traktionsbatterie zu schaffen, welches als bewährtes Abschaltkriterium den Verlauf des Ladestroms in der Ladeschlußphase bei behält, welches aller­ dings ohne regelnde oder stabilisierende Bauelemente im Leistungskreis des Ladegerätes auskommt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Erzeugung des Ladestroms in einem ungeregelten Ladetransformator erfolgt, und daß die an der Primärseite anliegende Netzspannung oder der Ladestrom oder die Ladespannung laufend erfaßt und zusammen mit weiteren Informationen in Form von Meßwerten einer Interpretationseinheit zugeführt wird, in der die Informationen anhand in der Interpretationseinheit abgelegter Regeln zu Aussagen verarbeitet werden, denen jeweils ein Wahrheitswert zwischen 0 (Unwahrheit) und 1 (Wahrheit) zugeordnet wird, wobei die so gewichteten Aussagen anschließend zu einer dualen Endaussage verknüpft werden, die entweder auf Fortsetzung oder auf Beendigung des Ladevorgangs lautet.
Der entscheidende Vorteil der Erfindung besteht also darin, daß auf regelnde oder stabilisierende Bauelemente im Leistungskreis des Ladegerätes verzichtet werden kann. Gegenüber dem in der DE 29 08 544 C2 offenbarten Ladever­ fahren kann daher auf den aufwendigen magnetischen Spannungskonstanthal­ ter verzichtet werden. Statt dessen kommt ein einfacher, ungeregelter Lade­ transformator zum Einsatz.
Hingegen macht sich das Verfahren weiterhin die Vorteile der mit fallendem Ladestrom arbeitenden Ladecharakteristik (W-Ladekennlinie) zunutze. Der ent­ scheidende Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, ein sehr einfaches, jedoch sicheres und batteriephysikalisch absolut zuverlässiges Abschaltprinzip zu verwenden, bei dem der konstante oder nahezu konstante Ladestrom in der Ladeschlußphase herangezogen wird, um die Beendigung des Ladevorgangs einzuleiten. Der Ladevorgang kann beispielsweise dann beendet werden, wenn bei Erreichen oder Unterschreiten einer vorgegebenen, positiven und von Null verschiedenen Mindestdifferenz zwischen zwei Ladeströmen ein diese Diffe­ renz beschreibender Wert gespeichert wird und bei einer mindestens zweimal unmittelbar hintereinander erfolgenden Speicherung desselben Wertes von ei­ nem Abschluß des Ladevorgangs ausgegangen wird.
Die hierzu erforderliche, exakte Messung des Ladestroms setzt bei einem Verfahren gemäß Stand der Technik allerdings voraus, daß die Größe des La­ destroms sich allein aus dem Fortschritt des Ladevorgangs ergibt, und hierbei keine anderen Faktoren eine Rolle spielen. I.d.R. unterliegt jedoch die an der Primärseite des Ladetransformators anliegende Netzspannung größeren Schwankungen, die sich auch auf die Größe des Ladestroms auswirken. Bei der Entscheidung, ob der Ladestrom keiner nennenswerten Änderung mehr unterliegt und damit die Beendigung des Ladevorgangs angenommen werden kann, ist daher zu berücksichtigen, ob der gemessene Ladestrom unter "normalen" Bedingungen der Netzspannung zustandegekommen ist, oder ob der Wert des Ladestroms im Meßzeitpunkt durch Ausschläge im zur Verfü­ gung stehenden Versorgungsnetz beeinflußt ist.
Bei der Erfindung werden die durch Netzspannungsänderungen hervorgerufe­ nen, oft beträchtlichen Schwankungen des Ladestroms bewußt in Kauf ge­ nommen. Allerdings wird die an der Primärseite anliegende Netzspannung oder die Ladespannung oder der Ladestrom laufend erfaßt und zusammen mit weiteren Informationen in Form von Meßwerten einer Interpretationseinheit zugeführt. Die so gewonnenen Informationen werden anhand von Regeln, die in der Interpretationseinheit abgelegt sind, zu logischen Aussagen verarbeitet, denen jeweils ein Wahrheitswert zugeordnet wird. Dieser Wahrheitswert beträgt im geringsten Falle 0, d. h. die gewonnene Aussage wird als unwahr angesehen. Im Höchstfalle beträgt der Wahrheitswert 1, d. h. die Aussage wird gemäß den in der Interpretationseinheit abgelegten Regeln als uneingeschränkt wahr angesehen. Die so gewichteten Aussagen werden anschließend zu einer dualen Endaussage verknüpft, die entweder "Ja" oder "Nein" lauten kann. Die Endaussage lautet "Ja", wenn aufgrund der vorliegenden Informationen sowie Wahrheitswerte eine um die Netzspannungsänderung bereinigte Konstanz des Ladestromes angenommen werden kann, auch wenn der tatsächliche Verlauf des Ladestroms nicht konstant ist. Geht die Interpretationseinheit gemäß den abgespeicherten logischen Regeln hingegen davon aus, daß unter Berücksichtigung der gemessenen Netzspannungsänderungen eine Konstanz des Ladestroms noch nicht vorliegt, lautet die duale Endaussage "Nein", und der Ladevorgang wird fortgesetzt. Diese Abfrage wird entweder in vorgegebenen Zeitabständen wiederholt, oder kontinuierlich durchgeführt.
Die Abläufe in der Interpretationseinheit können beispielsweise dadurch einge­ leitet werden, daß zunächst der Ladungsverlauf für die Größen Ladestrom, La­ despannung und eingeladene Ladungsmenge als Funktion der Ladezeit aufge­ zeichnet werden. Die in den so ermittelten Kurven erhaltenen Informationen in Form charakteristischer Eckpunkte oder eines qualitativen Kurvenverlaufs be­ dürfen dann anschließend der Interpretation. Diese erfolgt mit unscharfen Be­ schreibungsmitteln der sog. "Fuzzy Logik". Grundlage der vorgenommenen Interpretation sind experimentell erarbeitete und abgespeicherte Ladesituatio­ nen. Hierzu werden in zuvor gefahrenen Versuchen eine Vielzahl von Batterie­ ladungen mit variierenden Parametern hinsichtlich Batterietyp, Batteriealter, Entladungstiefe, Temperatur, primäre Netzschwankungen usw. durchgeführt. Die Ergebnisse werden aufgezeichnet und hinsichtlich Ursache und Wirkung analysiert. Aus dieser Analyse werden Regeln abgeleitet, die geräteintern in der Interpretationseinheit abgespeichert werden. Die Regeln folgen dem Schema
IF (X IS A) THEN (Y IS B).
In dieser logischen Aussage bildet der Term (X is A) den Antizendenten und der Term (Y is B) die Konklusion.
Eine nach diesem Schema aufgebaute Regel kann z. B. besagen, daß, sofern sich der aktuelle Ladestrom stark vom vorherigen Ladestrom gemäß dem vor­ angegangenen Meßwert unterscheidet, dann eine mittlere Netzspannungsän­ derung an der Primärseite des Transformators vorliegt.
Für jede der nach diesem Schema aufgebauten Regeln ist ferner deren zwi­ schen 0 und 1 liegender Wahrheitswert festzulegen. Wahrheitswerte werden ferner für das Ergebnis A des Antizendenten sowie den aus diesen beiden Wahrheitswerten resultierenden Wert für die Konklusion bestimmt.
In einem letzten Schritt werden die einzelnen Regeln miteinander verknüpft und hieraus eine Aussage mit hoher Wahrscheinlichkeit abgeleitet. Sämtliche unscharfen Aussagen werden in einer anschließenden Defuzzifizierungsstufe zusammengefaßt und zu einer mit hoher Sicherheit richtigen, scharfen Aussa­ ge verknüpft. Diese lautet entweder auf Fortsetzung oder auf Beendigung des Ladevorgangs.

Claims (1)

  1. Verfahren zum Laden einer Batterie und insbesondere einer Traktionsbatterie mit einer mit steigender Ladespannung und fallendem Ladestrom arbeitenden Ladecharakteristik (W-Ladekennlinie), bei dem der Ladevorgang beendet wird, nachdem unter Berücksichtigung von Netzspannungsschwankungen an der Primärseite des Ladetransformators der an der Sekundärseite bereitgestellte Ladestrom einen Konstantwert erreicht hat, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung des Ladestroms in einem ungeregelten Ladetransformator erfolgt, und daß die an der Primärseite anliegende Netzspannung oder der Ladestrom oder die Ladespannung laufend erfaßt und zusammen mit weiteren Informationen in Form von Meßwerten einer Interpretationseinheit zugeführt wird, in der die Informationen anhand in der Interpretationseinheit abgelegter Regeln zu Aussagen verarbeitet werden, denen jeweils ein Wahrheitswert zwischen 0 (Unwahrheit) und 1 (Wahrheit) zugeordnet wird, wobei die so gewichteten Aussagen anschließend zu einer dualen Endaussage verknüpft werden, die entweder auf Fortsetzung oder auf Beendigung des Ladevorgangs lautet.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2908544C2 (de) * 1979-03-05 1983-01-27 Theo Benning Elektrotechnik Und Elektronik Gmbh & Co Kg, 4290 Bocholt Vorrichtung zum Aussteuern von Netzspannungsänderungen beim Laden von Batterien
DE3815001A1 (de) * 1988-05-03 1989-11-16 Ullmann Ulo Werk Einrichtung zum laden von akkumulatoren
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