DE4420249A1

DE4420249A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Aufladen eines wiederaufladbaren Akkumulators

Info

Publication number: DE4420249A1
Application number: DE4420249A
Authority: DE
Inventors: Armin Sauer
Original assignee: Unomat & Co KG GmbH
Current assignee: Unomat & Co KG GmbH
Priority date: 1994-06-10
Filing date: 1994-06-10
Publication date: 1995-12-14

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufladen eines wiederaufladbaren Akkumulators.

Elektrochemische Akkumulatoren wie Nickel-Cadmium-Akkumulato ren, die zum netzunabhängigen Betrieb einer Vielzahl von Gerä ten beispielsweise von Videokameras, schnurlosen Telefonen, Bohrmaschinen oder tragbaren Computern Einsatz finden, werden nach einer erfolgten Entladung bislang von an das Wechsel stromnetz anschließbaren Ladegeräten, die eine Spannungs gleichrichtung und -transformation vornehmen, mit einem kon stanten Gleichstrom einer Stärke von maximal 1 Amp´re wieder aufgeladen. Die hierfür benötigten Ladezeiten betragen mehrere Stunden. Die dadurch bedingten Ausfallzeiten der akkumulator betriebenen Geräte sind in vielen Fällen sehr störend. Hinzu kommt, daß die Akkumulatoren aufgrund elektrochemischer Pro zesse mit der Zeit an Leistungsfähigkeit verlieren, wenn sie nicht bei jedem Gebrauch vollständig entladen werden, wodurch ein Wiederaufladen in immer kürzeren Zeitabständen nötig wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Möglich keit eines Aufladens eines Akkumulators in nur wenigen Minuten zu schaffen.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Aufladen eines wie deraufladbaren Akkumulators gelöst, das erfindungsgemäß da durch gekennzeichnet ist, daß der Akkumulator mit einem pul sierenden Gleichstrom mit einem einige Amp´re betragenden Gleichstrommittelwert und einer ebenfalls einige Amp´re betra genden Amplitude der Stromimpulse gespeist wird.

Das Laden eines Akkumulators mit einem mehrere Amp´re betra genden Strom ist nach den Herstellerangaben für Akkumulatoren eigentlich nicht zulässig, da hierbei eine Zerstörung durch eine zu hohe Erhitzung des Akkumulators eintreten müßte. Dies gilt sowohl für Nickel-Cadmium-Akkumulatoren als auch für Metallhydrid-Akkumulatoren. Versuche haben nun aber überra schenderweise gezeigt, daß bei einem pulsierenden Ladestrom von einigen Ampère Stärke diese eigentlich zu erwartende Zer störung des Akkumulators nicht eintritt. Es tritt im Vergleich zum Aufladen mit herkömmlichen Geräten im Gegenteil eine sehr viel geringfügigere Erwärmung des Akkumulators auf. Die dabei aufgrund der hohen Stromstärke erzielbaren Ladezeiten betragen nur ca. 5 Minuten. Das erfindungsgemäße Verfahren schafft somit eine Möglichkeit, nach Entladen eines Akkumulators die sen innerhalb kürzester Zeit wieder aufzuladen und den Betrieb der Videokamera, Bohrmaschine oder dergleichen wieder fort zusetzen. Die Stromimpulse können dabei annähernd Rechteckform aufweisen. Außerdem können die Impulsdauer und der zeitliche Abstand der Impulse einstellbar sein, um unterschiedliche Typen von Akkumulatoren laden zu können. Vorteilhafterweise kann dabei die maximale Stromstärke 6 bis 8 Amp´re und die minimale Stromstärke 3 bis 4 Amp´re betragen. Beim Aufladen eines Nickel-Cadmium-Akkumulators kann die Impulsdauer vor zugsweise wenige Sekunden betragen und der zeitliche Abstand der Impulse in der Größenordnung von 100 ms liegen. Auch beim Aufladen eines sehr hitzeempfindlichen Metallhydrid-Akkumula tors hat sich eine Impulsdauer von wenigen Sekunden als vor teilhaft erwiesen, wobei der zeitliche Abstand der Impulse einige Sekunden betragen kann. Weitere Vorteile ergeben sich, wenn vor dem Aufladen der Akkumulator durch pulsförmige Entla dung, bei der dem Akkumulator ein Strom von 1 bis 1,5 Amp´re entnommen wird, auf eine Mindestspannung entladen wird. Durch diese Vorentladung kann der oben beschriebene Ermüdungseffekt bei häufigem, nur teilweise Entladen des Akkumulators, der in der Literatur auch als Memory-Effekt beschrieben wird, wieder rückgängig gemacht und die volle Leistungsfähigkeit des Akku mulators wieder hergestellt werden. Fabrikneue oder längere Zeit nicht benutzte Akkumulatoren sind nicht sofort wieder einsatzfähig. Hierbei hat es sich herausgestellt, daß es zweckmäßig sein kann, vor dem Aufladen dieser Akkumulatoren diese durch Stromimpulse einer Amplitude von 1 bis 1,5 Amp´re und einer Dauer und einem zeitlichen Abstand von wenigen Mil lisekunden zu laden und wieder zu entladen, wobei das Laden und Entladen auch mehrfach durchgeführt werden kann. Danach kann der eigentliche Aufladevorgang eingeleitet werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufladen eines wieder aufladbaren Akkumulators speist den Akkumulator über ihre Anschlußklemmen mit einem pulsierenden Gleichstrom mit einem Gleichstrommittelwert und einer Impulsamplitude von einigen Ampère und weist hierzu mindestens einen Pulsgenerator auf. Die Pulsdauer und der zeitliche Abstand der Impulse können dabei einstellbar sein. Zweckmäßig ist es dabei, wenn die Pulsfrequenz und die Impulsamplitude zwischen auf marktübliche Akkumulatoren abgestimmten Werten mittels eines Schalters umschaltbar sind. Es kann auch ein weiterer Pulsgenerator zur Erzeugung eines pulsförmigen Entladestroms vorgesehen sein, um den erwähnten Memory-Effekt bei den Akkumulatoren wieder be seitigen zu können. Auch das Vorsehen einer Konstantstromquel le zur Erhaltung der Akkumulatorladung ist möglich. Damit kann dem selbsttätigen Entladen eines nicht gebrauchten Akkumula tors entgegengewirkt werden. Der Akkumulator wird hierzu nach Gebrauch an die erfindungsgemäße Vorrichtung angeschlossen und jedesmal von der Konstantstromquelle mit einem Ladestrom ver sorgt, sobald die Spannung an den Akkumulatorklemmen einen bestimmten Schwellwert unterschreitet.

Die Vorrichtung kann auch eine Einrichtung zur Einstellung der Spannung an den Anschlußklemmen für den Akkumulator aufweisen, um die Vorrichtung für Akkumulatoren mit unterschiedlichen Spannungswerten einsetzen zu können. Weiter können Steuerungs einrichtungen zum automatischen Aktivieren der Entlade- und Ladevorgänge und deren Dauer in Abhängigkeit von der Akkumula torspannung vorgesehen sein. So läßt sich beispielsweise auto matisch zunächst für einige Minuten ein Entladen des Akkumula tors vor dem selbsttätigen Einsetzen des Aufladevorgangs durchführen. Der Einsatzbereich der Vorrichtung kann noch dadurch vergrößert werden, daß sie wahlweise über ein Netzteil an das Wechselstromnetz oder an eine 12-Volt-Autobatterie anschließbar sein kann.

Nachfolgend werden beispielhaft nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Ladeströme sowie ein bevorzugtes Ausfüh rungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 den zeitlichen Verlauf eines Ladestroms für einen Nickel-Cadmium-Akkumulator;

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf eines Ladestroms für einen Metallhydrid-Akkumulator;

Fig. 3 den zeitlichen Verlauf eines Entladestro mes für einen Akkumulator;

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf eines Ladestroms zur Vorbereitung des Aufladens eines fa brikneuen oder lange nicht benutzten Ak kumulators;

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zum Laden eines Akkumulators.

Fig. 1 zeigt einen typischen Ladestrom für einen Nickel-Cadmi um-Akkumulator. Der Strom I₁ ist ein pulsierender Gleichstrom, dessen Stromstärke im dargestellten Beispiel zwischen 3 Amp´re und 6 Amp´re schwankt. Die Impulse 10 des Stromes I₁ weisen annähernd Rechteckform auf und haben eine Dauer td₁ von 2,5 Sekunden. Der zeitliche Abstand ta₁ zwischen den einzelnen Impulsen 10 des Stromes I₁ beträgt im dargestellten Beispiel 100 ms. Die maximale Stromstärke I_max1 muß also nur für jeweils sehr kurze Zeitabschnitte auf den Minimalwert I_min1 abgesenkt werden, um einer Zerstörung des Akkumulators durch zu starke Erwärmung vorzubeugen.

Fig. 2 zeigt das der Fig. 1 entsprechende Strom-Zeit-Diagramm eines Ladestroms 12 für einen Metallhydrid-Akkumulator. Auch hier ist der Ladestrom 12 ein pulsierender Gleichstrom, dessen Stärke zwischen einem Minimalwert I_min2 = 4 Amp´re und einem maximalen Stromwert I_max2 = 8 Ampère schwankt. Die Dauer der Impulse 11 des Stromes 12 beträgt im dargestellten Beispiel 2 Sekunden, während der zeitliche Abstand ta₂ zwischen den ein zelnen Impulsen 11 hier 6 Sekunden beträgt, also sehr viel größer ist als bei Nickel-Cadmium-Akkumulatoren. Dies trägt der größeren Hitzeempfindlichkeit von Metallhydrid-Akkumulato ren Rechnung. Dennoch sind auch beim Aufladen von Metallhy drid-Akkumulatoren mit einem der Fig. 2 entsprechenden Lade stromverlauf Ladezeiten von ca. 5 Minuten erreichbar.

In Fig. 3 ist ein Entladestrom 13 zur Beseitigung des Memory- Effektes in seinem zeitlichen Verlauf dargestellt. Die Strom stärke schwankt hier ebenfalls pulsförmig zwischen -1 Amp´re und -1,5 Amp´re. Der zeitliche Abstand td₃ der einzelnen Im pulse 13 beträgt einige Millisekunden. Zur Aktivierung eines fabrikneuen bzw. eines lange Zeit nicht benutzten Akkumulators wird auf einen Entladevorgang des Akkumulators mit dem Strom 13 nach Fig. 3 ein schnelles pulsförmiges Laden mit dem in Fig. 4 gezeigten Stromverlauf 14 durchgeführt. Die Impulsdauer td₄ des Stromes 14 beträgt etwa 2,5 ms und der zeitliche Ab stand ta₄ der Impulse 14 ca. 10 ms. Es können hierbei auch mehrere Entlade- und Ladezyklen gemäß den Stromverläufen 13 und 14 vorgenommen werden.

In Fig. 5 ist ein typischer Aufbau einer Vorrichtung zur Er zeugung von Akkumulator-Lade- und Entladeströmen gemäß den Fig. 1 bis 4 dargestellt. Die Vorrichtung gibt an Anschluß klemmen 20, 30 für einen Akkumulator einen pulsierenden Gleichstrom ab, zu dessen Erzeugung ein Pulsgenerator 21 vor gesehen ist. Der Pulsgenerator 21 kann je nach Stellung des Schalters 22 einen Ladepuls 23 mit unterschiedlich großen zeitlichen Abständen der einzelnen Impulse erzeugen. Durch Umlegen des Schalters kann hierdurch beispielsweise zwischen einem Ladestrom Ii nach Fig. 1 für einen Nickel-Cadmium-Akku mulator und einem Ladestrom 12 gemäß Fig. 2 für einen Metall hydrid-Akkumulator gewählt werden. Außerdem kann dem Pulsgene rator 21 ein Puls 24 zur Erzeugung eines Stromes zum Vorberei ten des Aufladens von fabrikneuen oder lange nicht benutzten Akkumulatoren gemäß dem Strom 14 in Fig. 4 entnommen werden. Von einem nachfolgenden Umschaltrelais 25 wird entweder der Ladepuls 23 oder der Vorladepuls 24 zu einer Leistungsstufe 26 und von dort auf die positive Klemme 20 der Vorrichtung gege ben. Die Steuerung des Relais 25 erfolgt dabei über eine Ein richtung 27, die ebenfalls mit der positiven Klemme 20 der Vorrichtung verbunden ist und ein Abfallen der Spannung am Akkumulator erkennt. Wird der Ladeimpuls 23 vom Relais 25 durchgeschaltet, so leuchtet eine erste Leuchtdiode D1 an der Vorrichtung zur Anzeige des Ladevorgangs auf. Die Vorrichtung weist außerdem eine Entlade-Leistungsstufe 28 auf, die eben falls mit der positiven Klemme 20 der Vorrichtung verbunden ist und den Akkumulator vor Beginn des Ladevorgangs entlädt, um den Memory-Effekt zu beseitigen. Die Entladestufe 28 wird von einem Oszillator 29, der mit einem Schalter 31 betätigbar ist und ein Steuer-Signal von einer Einrichtung 36 zur Kon trolle des Spannungsabfalls beim Entladen des Akkumulators empfängt, angesteuert. Während des Entladevorgangs leuchtet eine Leuchtdiode D2 an der Vorrichtung auf. Zur Erhaltung der Ladung eines unbenutzten Akkumulators weist die Vorrichtung zudem eine Konstant-Stromquelle 32 auf, die von einer Einrich tung 33 aktiviert wird, sofern nicht der Oszillator 29 einen gewollten Entladevorgang anzeigt und eine Einrichtung 34 zur Erkennung der Spannung am Akkumulator ein Absacken dieser Spannung unter einen bestimmten Schwellwert meldet. Die Kon stantstromquelle 32 wird dabei ebenso wie das Umschalten des Relais 25 zum Durchschalten des Vorladepulses 24 durch die Einrichtung 27 von einem Timer 35 angesteuert, der insbesonde re die Dauer des Vorlade-Zustandes vorgibt. Wenn die Konstant stromquelle 32 aktiviert ist, leuchtet eine Diode D3 der Vor richtung auf. Um die Amplitude des pulsierenden Stromes kon stant zu halten, ist ein Spannungsregler 37 vorgesehen. Die gesamte Vorrichtung ist über ein Netzteil 38 an das Wechsel stromnetz oder aber an eine 12-Volt-Autobatterie anschließbar.

Claims

1. Verfahren zum Aufladen eines wiederaufladbaren Akkumula tors, dadurch gekennzeichnet, daß der Akkumulator mit einem pulsierenden Gleichstrom (I₁, I₂) mit einem einige Ampère betragenden Gleichstrommittelwert und einer eben falls einige Ampère betragenden Amplitude der Stromimpulse (10, 11) gespeist wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromimpulse (10, 11) annähernd Rechteckform aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Stromstärke (I_max1, I_max2) 6 bis 8 Amp´re und die minimale Stromstärke (I_min1, I_min2) 3 bis 4 Amp´re beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Impulsdauer (td₁, td₂) und der zeit liche Abstand (ta₁, ta₂) der Impulse (10, 11) einstellbar sind.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß beim Aufladen eines Nickel-Cadmium-Akku mulators die Impulsdauer (td₁) wenige Sekunden beträgt und der zeitliche Abstand der Impulse (ta₁) in der Größenord nung von 100 ms liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß beim Aufladen eines Metallhydrid-Akkumu lators die Impulsdauer (td₂) wenige Sekunden und der zeit liche Abstand (ta₂) der Impulse (11) einige Sekunden be trägt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß vor dem Aufladen der Akkumulator durch pulsförmige Entladung, bei der dem Akkumulator ein Strom (13) von 1 bis 1,5 Amp´re entnommen wird, auf eine Min destspannung entladen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß vor dem Aufladen eines fabrikneuen oder längere Zeit nicht benutzten Akkumulators dieser durch Stromimpulse einer Amplitude von 1 Amp´re bis 1,5 Amp´re und einer Dauer und einem zeitlichen Abstand von wenigen Millisekunden geladen und wieder entladen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Laden und Entladen mehrfach durchgeführt wird.

10. Vorrichtung zum Aufladen eines wiederaufladbaren Akkumula tors, die den Akkumulator über ihre Anschlußklemmen (20, 30) mit einem pulsierenden Gleichstrom (I_i, I₂) mit einem Gleichstrommittelwert und einer Impulsamplitude von eini gen Amp´re speist und hierzu mindestens einen Pulsgenera tor (21) aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer (td₁, td₂) der Impulse (10, 11) variierbar ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeich net, daß der zeitliche Abstand (ta₁, ta₂) der Impulse (10, 11) einstellbar ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeich net, daß die Impulsdauer (td₁, td₂) und der zeitliche Ab stand (ta₁, ta₂) der Impulse (10, 11) zwischen auf markt übliche Akkumulatoren abgestimmten Werten mittels eines Schalters (22) umschaltbar sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Konstantstromquelle (32) zur Erhaltung der Akkumulatorladung vorgesehen ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Einrichtung zur Einstellung der Spannung an den Anschlußklemmen (20, 30) für den Akku mulator aufweist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Pulsgenerator (29) zur Erzeugung eines pulsförmigen Entladestroms (13) vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß sie Steuerungseinrichtungen (27, 34, 35, 36) zum automatischen Aktivieren der Entlade- und Ladevorgänge und deren Dauer in Abhängigkeit von der Akku mulatorspannung aufweist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß sie wahlweise über ein Netzteil (38) an das Wechselstromnetz oder an eine 12-Volt-Autobatterie anschließbar ist.