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VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Die
vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 12. April 1999 eingereichten
vorläufigen
US-Anmeldung 60/128,891 mit dem
Titel APPARATUS AND METHOD FOR AUTOMATIC RECOVERY OF SULFATED LEAD
ACID BATTERIES, die durch Bezugnahme hier in der Gänze aufgenommen ist.
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ERFINDUNGSGEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Blei-Säure-Batterien
und betrifft insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren für die automatische Wiederherstellung
von sulfatisierten Blei-Säure-Batterien.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Eine
Batterie ist eine Einrichtung, die die in ihren aktiven Materialien
enthaltene chemische Energie mit Hilfe einer elektrochemischen Oxidations-Reduktions-Reaktion direkt in
elektrische Energie umwandelt. Diese Art von Reaktion beinhaltet
den Transfer von Elektronen von einem Material zu einem anderen.
Batterien in der Technik verwenden üblicherweise elektrochemische
Operationen, um elektrische Energie zu speichern und abzugeben.
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1 veranschaulicht
die elektrochemische Operation einer typischen Batterie. Unter Bezugnahme
auf 1 ist die negative Elektrode (Anode 2)
die Komponente, die in der Lage ist, Elektronen aufzugeben, während sie
während
der Reaktion oxidiert. Sie ist von dem oxidierenden Material getrennt,
das die positive Elektrode (Kathode 1) ist, die Komponente, die
in der Lage ist, Elektronen anzunehmen. Der Transfer von Elektronen
findet in dem die beiden Materialien verbindenden Außenkreis 11 und
im Elektrolyten 3 statt, der ein Innenmedium für den Elektronentransfer
in der Batterie 4 liefert.
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Bestimmte
Arten von Batterien können
wiedergeladen werden, wie etwa Blei-Säure-Batterien. Eine Blei-Säure-Batterie verwendet
Bleischwamm für die
negative Elektrode (Anode 2), Bleioxid für die positive
Elektrode (Kathode 1) und eine Schwefelsäure für den Elektrolyten 3.
Die Blei-Säure-Batterie 4 wird, wenn
sie nicht verwendet wird, in einem geladenen Zustand gelassen. Während der
Entladung wird das aktive Material in der Blei-Säure-Batterie in Bleisulfat umgewandelt,
und die Schwefelsäurelösung wird verdünnt, das
heißt,
ihre spezifische Dichte nimmt ab. Bleisulfat ist ein Isolator, der
das ordnungsgemäße Laden
der Blei-Säure-Batterie 4 behindert.
Die Blei-Säure-Batterie 4 kann
jedoch nach ihrem Wiederaufladen verwendet werden.
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Zur
Wiederherstellung der Blei-Säure-Batterie
wird das Bleisulfat durch Laden der Batterie bei einem niedrigen
Strom oder indem der Ladespannung Spannungsimpulse überlagert
werden, wie aus dem Dokument
US
5,063,341 bekannt, zurück
in aktives Material umgewandelt. Wenn die Blei-Säure-Batterie für eine lange
Zeit, in der Regel einige wenige Tage, entladen gelassen wird, wird
sie sulfatiert und läßt sich
schwierig wiederaufladen. Die sulfatierte Blei-Säure-Batterie wird, wenn sie
nicht wiederaufgeladen werden kann, entsorgt, was eine Verschwendung
und umweltschädlich
ist.
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Dementsprechend
besteht ein allgemeiner Bedarf in der Technik nach einer verbesserten
Vorrichtung und einem verbesserten Verfahren zum Wiederherstellen
von Blei-Säure-Batterien.
Benötigt werden
eine effiziente Vorrichtung und ein effizientes Verfahren zum Wiederherstellen
von Blei-Säure-Batterien,
die unnötigen
Abfall vermeiden.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die
Blei-Säure-Batterie
wird gelagert, indem sie in einem geladenen Zustand versetzt wird,
wenn sie nicht gebraucht wird. Bei der Lagerung kommt es zu Selbstentladung,
was eine Abnahme der Batteriespannung verursacht. Der Innenwiderstand
steigt an, wenn die Batterie für
eine längere
Zeitperiode gelagert bleibt, und zwar aufgrund des Wachsens von Bleisulfatkristallen,
insbesondere, wenn die Batterie in einem entladenen Zustand gelagert
wird. Die Blei-Säure-Batterie
wird für
die Verwendung wiederhergestellt durch Laden der Batterie mit einem
niedrigen konstanten Strom. Da die Blei-Säure-Batterie von einem konstanten
Ladestrom langsam geladen wird, nähert sich die Batteriespannung
während
des Ladens einer Mindestspannung in dem Batteriewiederherstellungsprozeß. Dann
nimmt die Batteriespannung allmählich
zu, wenn die Blei-Säure-Batterie
geladen wird. Während
der Wiederherstellungsprozeß implementiert
wird, wird das Sulfat in der Blei-Säure-Batterie in aktives Material
umgewandelt, das ebenfalls eine Abnahme der Batteriespannung aufgrund
einer abnehmenden Innenwiderstandabfallspannung verursacht. Wegen
des Ladens, was die Umwandlung von Bleisulfat in das aktive Material
verursacht, steigt die Batteriespannung.
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Wenn
gemäß der vorliegenden
Erfindung detektiert wird, daß die
Batteriespannung die Mindestspannung erreicht hat und zu steigen
begonnen hat, wird der Ladestrom wesentlich heraufgesetzt (z.B. verdoppelt),
und zwar weil die Fähigkeit
der Blei-Säure-Batterie
zugenommen hat, einen höheren
Ladestrom aufzunehmen. Mit steigendem Ladestrom sind die Wiederherstellung
und das Laden der Blei-Säure-Batterie
vorteilhafterweise nützlicher
und effizienter.
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Bei
einer veranschaulichenden Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird der Innenwiderstand der Batterie
gemessen. Wenn er über einer
wiederherstellbaren Grenze von z.B. 5 Ohm (Ω) liegt, wird sie entsorgt.
Wenn er unter einer normalen Grenze von z.B. 0,2 Ohm (Ω) liegt,
wird sie einem normalen Laden unterzogen. Wenn er zwischen diesen
Grenzen liegt, wird der Elektrolytpegel geprüft und, falls er zu niedrig
ist, korrigiert. Dann wird eine gesteuerte Ladung von Strom, z.B.
0,5 Ampere (A), geschickt, um die Batterie zu laden, und die Batteriespannung
wird gemessen und mit einer Mindestspannung verglichen. Wenn die
Batterie das Minimum innerhalb eines voreingestellten Zeitintervalls von
z.B. einer Stunde erreicht, wird die Ladung heraufgesetzt, z.B.
verdoppelt. Dann erfolgt ein Test, um zu prüfen, ob der Ladestrom eine
Stromgrenze erreicht hat. Wenn er nicht die Stromgrenze erreicht hat,
wird die Batteriespannung bei dem neuen Pegel gemessen, und wenn
sie ein weiteres Minimum erreicht, wird die Ladung wieder heraufgesetzt.
Dies wird wiederholt, bis die Batterie für eine weitere Zeitperiode
von zum Beispiel acht Stunden geladen worden ist oder die Stromgrenze
erreicht ist, was anzeigt, daß die
Batteriewiederherstellung abgeschlossen ist und die Batterie nicht
länger
sulfatiert ist. Dann wird normales Laden verwendet, um die Batterie
für den
Gebrauch bereit zu machen.
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Wenn
bei einer weiteren Ausführungsform die
Batteriespannung nach der vorbestimmten Periode weiter ansteigt,
wird das Laden für
eine kurze Zeitperiode von z.B. fünf Minuten gestoppt, und dann wird
der Prozeß ab
dem Punkt des Prüfens,
ob der Ladestrom die Grenze überschritten
hat, wiederholt. Wenn die Spannung abnimmt oder gleich bleibt, erfolgt
eine Prüfung,
um zu kontrollieren, ob die Batterie das Minimum erreicht hat und
zu steigen begonnen hat. Wenn dies der Fall ist, wird das Laden
für eine
zweite Zeitperiode von z.B. fünf
Minuten gestoppt. Dann beginnt der Prozeß von vorne, z.B. durch Messen
des Innenwiderstands.
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Bei
einer Ausführungsform
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist ein Computer oder
Mikroprozessor programmiert, die Prozeßschritte (wie in den verschiedenen
Ausführungsformen
hierin dargestellt) des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zu
implementieren. Die Verfahrensschritte können durch Umprogrammieren
des Computers oder Mikroprozessors vorteilhafterweise rekonfiguriert
werden, um z.B. ein Spannungssteuerungsverfahren im Gegensatz zu
den Ausführungsformen
zu implementieren, bei denen die Batterie durch einen gesteuerten Ladestrom
geladen wird.
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Bei
einer Ausführungsform
des Spannungssteuerungsverfahrens der vorliegenden Erfindung wird
die Blei-Säure-Batterie von einer
gesteuerten Ladespannung geladen. Die Ladespannung wird erhöht, wenn
der Innenwiderstand innerhalb des wiederherstellbaren Bereichs liegt.
Die Ladespannung wird erhöht,
bis der Batteriestrom eine erste Stromgrenze erreicht. Dann wird
die Batterie geladen, bis der Batteriestrom eine zweite Stromgrenze
erreicht, wobei dann die Ladespannung herabgesetzt wird. Die Ladespannung
wird auch mit einer voreingestellten Grenze verglichen. Die Prozeßschritte
des Spannungssteuerungsverfahrens der vorliegenden Erfindung werden
wiederholt, bis die Ladespannung unter die voreingestellte Grenze
abfällt,
wobei dann die Batterie unter Verwendung normalen Ladens geladen
wird. Nachdem das normale Laden abgeschlossen ist, steht die Batterie
für die
Verwendung zur Verfügung.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
ausführlichen
Beschreibung bei Lektüre
in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, in denen gleiche
Referenzbezeichnungen in den aufgezählten Figuren gleiche Merkmale
darstellen. Es versteht sich, daß die Zeichnungen, auf die
hierin Bezug genommen worden ist, nicht maßstabsgetreu gezeichnet sind,
außer,
wenn dies spezifisch angemerkt ist, wobei die Betonung statt dessen
darauf gelegt ist, die Prinzipien gemäß der vorliegenden Erfindung
zu veranschaulichen. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:
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1 die
herkömmliche
Operation einer Blei-Säure-Batterie;
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2 und 2a Flußdiagramme,
die eine Ausführungsform
des Stromsteuerungsverfahrens der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2b eine
graphische Darstellung, die die Batteriespannungsantwort einer Batterie
darstellt, die unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung
wiederhergestellt wird;
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3 ein
Flußdiagramm,
das eine weitere Ausführungsform
des Stromsteuerungsverfahrens der vorliegenden Erfindung darstellt;
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4 ein
Diagramm, das allgemein eine Ausführungsform der Vorrichtung
der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
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4A ein
Diagramm, das eine weitere Ausführungsform
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
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5 ein
Flußdiagramm,
das eine Ausführungsform
des Spannungssteuerungsverfahrens der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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2 und 2a sind
Flußdiagramme,
die eine Ausführungsform
des Stromsteuerungsverfahrens der vorliegenden Erfindung veranschaulichen. Unter
Bezugnahme auf 2 wird der Innenwiderstand (IR)
der Blei-Säure-Batterie
gemessen (Schritt 201). Der IR wird im Schritt 203 mit
einer wiederherstellbaren Grenze verglichen. Wenn der IR der Batterie
größer ist
als die wiederherstellbare Grenze, z.B. 5 Ohm (Ω), läßt sich die Batterie nicht
wiederherstellen, und ein Signal wird gesendet, die Batterie zu
entsorgen, oder zu warnen, daß die
Batterie entsorgt werden sollte (Schritt 205). Wenn der
IR der Batterie nicht größer ist
als die wiederherstellbare Grenze, dann wird der Steuerfluß zu Schritt 207 gelenkt.
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Der
IR wird im Schritt 207 wieder mit einer normalen Grenze
verglichen. Wenn der IR nicht größer ist
als die normale Grenze von z.B. 0,2 Ohm (Ω), erfordert die Batterie nur
ein normales Laden, um sie in einen Zustand zur Verwendung zu versetzen,
und der Steuerfluß wird
zu Schritt 223 gelenkt. Das normale Laden der Batterie
wird im Schritt 223 von 2a implementiert,
bei dem verschiedene Ladeverfahren verwendet werden können, wie
etwa Impulsstromladen, Konstanzstromladen und Konstanzspannungsladen,
die in der Technik bekannt sind. Nachdem die Blei-Säure-Batterie geladen
ist, steht sie für
den Gebrauch zur Verfügung.
Wenn der IR größer ist
als die normale Grenze, wird der Steuerfluß zu Schritt 209 gelenkt.
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Der
Elektrolytpegel der Batterie wird in Schritt 209 geprüft. Wenn
der Elektrolytpegel niedrig ist, d.h., der Elektrolytpegel ist unter
einem akzeptablen Pegel, wird im Schritt 211 ein Signal
gesendet, den Elektrolytpegel zu korrigieren, indem z.B. der Batterie
Wasser oder Elektrolyt zugesetzt wird. Der Steuerfluß schleift
dann wieder zurück
zu Schritt 201, wo der IR der Batterie wieder gemessen
wird.
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Wenn
der Elektrolytpegel nicht niedrig ist, d.h., er liegt über einem
akzeptablen Pegel, wird ein gesteuerter Ladestrom von bevorzugt
1 Ampere (A) oder weniger zum Laden der Batterie im Schritt 213 weitergeleitet.
Während
die Batterie geladen wird, wird die Batteriespannung für eine voreingestellte Zeitperiode
gemessen (Schritt 215). Die Batteriespannung wird im Schritt 217 mit
einer Mindestspannung verglichen. Wenn die Batteriespannung nicht eine
Mindestspannung erreicht hat (nach der sie zu steigen begann), wird
der Steuerfluß zurückgeschleift
zu Schritt 215, wo die Batteriespannung wieder gemessen
wird. Wenn die Batteriespannung eine Mindestspannung erreicht hat,
nachdem sie für
ein voreingestelltes Zeitintervall angestiegen ist, dann wird der
Steuerfluß zu
Schritt 219 von 2a gelenkt,
wo der Ladestrom z.B. um 50 oder 100 Prozent heraufgesetzt wird.
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Schritt 221 prüft, um zu
kontrollieren, ob der Ladestrom eine Stromgrenze überschritten
hat. Wenn der Ladestrom (nach der Zunahme im Schritt 219)
nicht die Stromgrenze überschritten
hat, dann wird der Steuerfluß zurück zu Schritt 213 von 2 geschleift,
wo der gesteuerte Ladestrom die Batterie weiterhin lädt und die
bei Schritt 213 beginnenden Prozeßschritte wiederholt werden,
d.h., die Ladung wird heraufgesetzt und die Spannung wird gemessen.
Wenn der Ladestrom die Stromgrenze übersteigt, dann ist die Wiederherstellung
abgeschlossen und die Batterie ist nicht länger sulfatiert. Nach dem normalen
Laden (Schritt 223 von 2a) steht
die Batterie für
den Gebrauch zur Verfügung
.
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2b ist
eine graphische Darstellung, die die Batteriespannungsantwort einer
unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung geladenen
Batterie darstellt. Die graphische Darstellung, wie in 2b gezeigt,
veranschaulicht die Beziehung zwischen der Batteriespannung und
dem Ladestrom über
eine Zeitperiode. Bei Zeit t1 wird die Batterie mit einem Anfangsstrom
von 0,5 A geladen. Die Batteriespannung fällt auf ein Minimum ab und steigt
dann langsam bis t2 an. Der Ladestrom wird auf 1 A gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung als Reaktion auf das Verhalten der Batteriespannung
vor t2 erhöht.
Danach fällt
die Batteriespannung aufgrund des Anstiegs von IR während der Umwandlung
in das aktive Material ab und stabilisiert sich dann auf eine relativ
konstante Spannung, gefolgt von einem langsamen Anstieg der Spannung
bis t3. Wegen des erhöhten
Ladestroms ist die Batteriespannung nach t2 höher als vor t2. Der scharfe
Anstieg bei der Spannung bei t2 ist auf eine erhöhte IR-Abfallspannung zurückzuführen, die
durch die Stromzunahme bei t2 verursacht wird. Analog fällt bei t3,
t4 und t5 die Batteriespannung auf ein Minimum ab und nimmt dann
scharf zu, und der geladene Strom wird dementsprechend auf 2 A,
4 A beziehungsweise 8 A heraufgesetzt. Ein Vorteil des Verfahrens
der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die Spannung durch wesentliches
Erhöhen
des Ladestroms schnell geladen werden kann, nachdem ein spezifisches
Verhalten der Batteriespannung detektiert ist, im Gegensatz zu dem
langsamen Laden der Batterie mit einem geringen konstanten Strom. Zudem
ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft,
weil es ganz auf automatisierte Weise in programmierbarer Software
in einem Computer implementiert werden kann, der die Wiederherstellung
und das Laden von sulfatierten Blei-Säure-Batterien steuert.
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3 ist
ein Flußdiagramm,
das eine weitere Ausführungsform
des Stromsteuerungsverfahrens der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Unter Bezugnahme auf 3 wird der IR der Blei-Säure-Batterie gemessen
(Schritt 301). Der IR wird im Schritt 303 mit
einer normalen Grenze verglichen. Wenn der IR unter der normalen
Grenze von z.B. 0,2 Ohm (Ω)
liegt, dann ist die Blei-Säure-Batterie
nicht sulfatiert. Die Batterie wird durch normales Laden unter Verwendung herkömmlicher
Ladeverfahren wie zuvor erörtert
wiederhergestellt (Schritt 305). Nachdem das normale Laden
beendet ist, steht die Batterie für den Gebrauch zur Verfügung.
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Wenn
der IR nicht unter der normalen Grenze liegt, dann wird der Steuerfluß zu Schritt 307 gelenkt,
wo der IR wieder gegenüber
einer wiederherstellbaren Grenze getestet wird. Wenn der IR größer ist
als die wiederherstellbare Grenze von z.B. 5 Ohm (Ω), läßt sich
die Batterie nicht wiederherstellen, und ein Signal wird gesendet,
zu entsorgen oder zu warnen, daß die
Batterie entsorgt werden sollte (Schritt 309). Wenn der
IR der Batterie nicht größer ist
als die wiederherstellbare Grenze, dann wird ein gesteuerter Ladestrom
zum Laden der Batterie im Schritt 311 weitergeleitet. Der
Ladestrom wird im Schritt 313 gegenüber einer Ladestromgrenze geprüft. Wenn
der Ladestrom größer oder
gleich der Ladestromgrenze von z.B. 8 Ampere (A) ist, ist die Wiederherstellung abgeschlossen,
und die Batterie wird im Schritt 305 unter Verwendung normaler
Ladeverfahren (wie oben erörtert)
geladen. Nachdem das normale Laden beendet ist, steht die Batterie
für den
Verbrauch zur Verfügung.
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Wenn
der Ladestrom unter der Ladestromgrenze liegt, dann wird der Ladestrom
um z.B. 50 oder 100 Prozent erhöht
(Schritt 315). Infolgedessen steigt die Batteriespannung
allmählich.
Die Blei-Säure-Batterie
wird im Schritt 317 für
eine erste Zeitperiode (in der vorliegenden Ausführungsform bis zu einer Stunde) überwacht.
Wenn die Batteriespannung nach Ablauf der ersten Zeitperiode weiter
ansteigt, wird das Laden im Schritt 321 unterbrochen. Eine zweite
Zeitperiode (in der vorliegenden Ausführungsform fünf Minuten)
wird verstreichen gelassen (Schritt 323), und der Steuerfluß wird zu
Schritt 311 zurückgeschleift,
wo die bei Schritt 311 beginnenden Prozeßschritte
wiederholt werden. Wenn die Batteriespannung abnimmt oder gleich bleibt,
wird im Schritt 325 bestimmt, ob die Batteriespannung der Blei-Säure-Batterie
eine Mindestspannung erreicht hat und für ein Zeitintervall anzusteigen
begonnen hat. Wenn die Batteriespannung eine Mindestspannung erreicht
hat und anzusteigen begonnen hat, wird das Laden bei Schritt 327 unterbrochen.
Die zweite Zeitperiode wird verstreichen gelassen (Schritt 329),
und der Steuerfluß wird
zu Schritt 301 zurückgeschleift,
wo der IR der Batterie gemessen und die bei Schritt 301 beginnenden
Prozeßschritte wiederholt
werden.
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Wenn
die Batteriespannung keine Mindestspannung erreicht hat, wird im
Schritt 331 bestimmt, ob die Blei-Säure-Batterie mehr als eine
dritte Zeitperiode, z.B. acht Stunden in der vorliegenden Ausführungsform,
geladen worden ist. Wenn das Laden nicht länger als 8 Stunden gedauert
hat, wird der Steuerfluß zu
Schritt 325 zurückgeführt. Wenn
die Batterie mehr als 8 Stunden lang geladen hat, wird das Laden
im Schritt 327 unterbrochen. Die zweite Zeitperiode (z.B.
fünf Minuten)
wird verstreichen gelassen (Schritt 329), und der Steuerfluß wird zu Schritt 311 (über C) zurückgeschleift,
wo die bei 311 beginnenden Prozeßschritte wiederholt werden.
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4 ist
ein Blockdiagramm, das eine Ausführungsform
der Vorrichtung zum Ausführen
der Erfindung allgemein darstellt. Unter Bezugnahme auf 4 speichert
eine programmierte Einrichtung 40 die Prozeßschritte
des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, und ein Computer oder
Mikroprozessor 41 implementiert die Prozeßschritte
einschließlich
jener in 2, 3 und 5 verkörperten.
Verfahrensschritte sind in die programmierte Einrichtung 40 programmiert,
die rekonfiguriert werden kann, indem die Software in der programmierten
Einrichtung 40 umgeschrieben oder umprogrammiert wird.
Der Computer 41 ist an eine Datenerfassungseinrichtung 42 angeschlossen,
die die Daten von der Batterie 47 unter Verwendung von
Verfahren wie etwa Analog-Digital-Umsetzung, Digital-Analog-Umsetzung,
Verstärkung
und Rauschreduktion in eine durch den Computer 41 verwendbare
Form verarbeitet. Durch die Datenerfassungseinrichtung 42 weist
der Computer 41 das Laden der Batterie 47 an durch
Messen des Innenwiderstands (IR), der Spannung und des Stroms der
Batterie 47 sowie durch Steuern des Ladestroms und der
Ladespannung von einer Stromversorgung 49. Die Datenerfassungseinrichtung 42 sammelt
IR-, Batteriestrom- oder Spannungsdaten für den Computer 41 über einen
Analog-Digital-Umsetzer (ADC) 43, der die Daten aus analoger
in digitale Form umsetzt und die Daten von der Batterie 47 in
eine für
den Computer 41 verwendbare Form verarbeitet. Ein Nebenschlußwiderstand 46,
der den Ladestrom mißt, gibt
die Ladestromdaten über
den ADC 43 und die Datenerfassungseinrichtung 42 an
den Computer 41 weiter. Der Computer 41 kann das
Laden der Batterie 47 für
eine Zeitperiode stoppen, indem die Übertragung des Ladestroms von
der Stromversorgung 49 unterbrochen wird. Der Computer 41 kann
auch das Laden der Batterie 47 anweisen durch Steuern des Ladestroms
oder der Ladespannung, der oder die von der Stromversorgung 49 geliefert
wird. Der Computer 41 kann die Stromversorgung 49 steuern
durch Senden von Anweisungen über
die Datenerfassungseinrichtung 42 und einen Digital-Analog-Wandler
(DAC) 45, der digitale Signale vom Computer 41 in
eine analoge Form umsetzt, die die Stromversorgung 49 steuern
kann. Ein Steuerrelais 48 kann ein normales Laden (wie
oben erörtert)
wie etwa Stromimpulsladen implementieren oder die Batterie 47 durch
Schließen
oder Öffnen
als Reaktion auf Anweisungen vom Computer 41 in einen offenen
Kreis legen. Der Computer 41 besitzt Steuerung über das Steuerrelais 48,
indem er über
ein Relaismodul 44 Anweisungen dorthin sendet. Das Steuerrelais 48 wirkt
wie ein Schalter, indem es die Batterie für eine Zeitperiode (z.B. 5
Minuten) in einen offenen Kreis legt.
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Eine
Ausführungsform
der Operation der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wie in 4 gezeigt
ist hier in Verbindung mit 3 beschrieben. Insbesondere
sendet die Batterie 47 IR-Daten an den Computer 41 über den
ADC 43, der die IR-Daten aus analoger in digitale Form
umsetzt, und die Datenerfassungseinrichtung 42, die das
Rauschen in den IR-Daten reduziert und sie zur Verwendung durch den
Computer 41 verstärkt.
Der Computer 41 vergleicht den IR der Batterie 47 mit
einer normalen Grenze. Wenn der IR unter der normalen Grenze von z.B.
0,2 Ohm (Ω)
liegt, ist die Batterie 47 nicht sulfatiert. Der Computer 41 weist
dann das Steuerrelais 48 und die Stromversorgung 49 an,
ein normales Laden zum Wiederherstellen der Batterie 47 unter
Verwendung herkömmlicher
Ladeverfahren wie zuvor erörtert
zu verwenden (Schritt 305). Nachdem das normale Laden abgeschlossen
ist, steht die Batterie 47 für den Gebrauch zur Verfügung.
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Unter
Bezugnahme auf Schritt 307 ist der IR der Batterie 47 nicht
unter der normalen Grenze, der vergleicht Computer 41 den
IR mit einer wiederherstellbaren Grenze von z.B. 5 Ohm (Ω), was von
der Ausgabekapazität
der Stromversorgung 49 abhängt. Wenn der IR größer ist
als die wiederherstellbare Grenze, läßt sich die Batterie 47 nicht
wiederherstellen, und der Computer 41 sendet ein Signal,
zu entsorgen oder zu warnen, daß die
Batterie entsorgt werden sollte (Schritt 309). Wenn der
IR nicht über der
wiederherstellbaren Grenze liegt, weist der Computer 41 die
Stromversorgung 49 an, einen gesteuerten Ladestrom zum
Laden der Batterie 47 zu senden (Schritt 311).
Der Computer 41 vergleicht den Ladestrom mit einer Ladestromgrenze
(Schritt 313). Wenn der Ladestrom größer oder gleich der Ladestromgrenze
von z.B. 8 Ampere (A) ist, ist die Wiederherstellung abgeschlossen,
und der Computer 41 weist das Steuerrelais 48 und
die Stromversorgung 49 an, die Batterie 47 unter
Verwendung normaler Ladeverfahren (wie oben erörtert) zu laden (Schritt 305). Nachdem
das normale Laden abgeschlossen ist, steht die Batterie 47 für den Gebrauch
zur Verfügung.
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Wenn
der Ladestrom unter der Ladestromgrenze liegt, dann weist der Computer 41 die
Stromversorgung 49 an, den Ladestrom um z.B. 50 oder 100
Prozent heraufzusetzen (Schritt 315). Infolgedessen nimmt
die Batteriespannung allmählich
zu. Der Computer 41 überwacht
die Batterie 47 für
eine erste Zeitperiode, z.B. eine Stunde in der vorliegenden Ausführungsform
(Schritt 317). Die Batterie 47 sendet weiterhin
Batteriespannungsdaten über
den ADC 43 und die Datenerfassungseinrichtung 42 an den
Computer 41. Wenn die Batteriespannung nach Ablauf der
ersten Zeitperiode immer noch ansteigt, weist der Computer 41 die
Stromversorgung 49 an, das Laden der Batterie 47 zu
stoppen (Schritt 321). Der Computer 41 wartet
auf das Verstreichen einer zweiten Zeitperiode von z.B. fünf Minuten
(Schritt 323), wiederholt dann die Prozeßschritte
beginnend bei Schritt 311. Wenn die Batteriespannung der
Batterie 47 abnimmt oder gleich bleibt, prüft der Computer 41,
um zu kontrollieren, ob die Batteriespannung der Batterie 47 eine
Mindestspannung erreicht hat oder für ein Zeitintervall anzusteigen
begonnen hat (325). Wenn die Batteriespannung eine Mindestspannung
erreicht hat und anzusteigen begonnen hat, weist der Computer 41 die
Stromversorgung 49 an, das Laden der Batterie 47 zu
stoppen (Schritt 327). Der Computer 41 wartet
dann auf das Verstreichen der zweiten Zeitperiode (z.B. fünf Minuten) (Schritt 329).
Der Computer 41 wiederholt dann die Prozeßschritte
beginnend bei Schritt 301.
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Wenn
die Batteriespannung nicht eine Mindestspannung erreicht hat, dann
bestimmt der Computer 41, ob die Stromversorgung 49 die
Batterie 47 für
mehr als eine dritte Zeitperiode von z.B. acht Stunden geladen hat
(Schritt 331). Wenn das Laden nicht für mehr als 8 Stunden gedauert
hat, dann wiederholt der Computer 41 die Prozeßschritte
beginnend bei Schritt 325. Wenn die Batterie für mehr als 8
Stunden geladen hat, dann weist der Computer 41 die Stromversorgung 49 an,
das Laden der Batterie 47 zu stoppen (Schritt 327).
Der Computer 41 wartet auf das Verstreichen der zweiten
Zeitperiode von z.B. fünf
Minuten (Schritt 329) und wiederholt dann die Prozeßschritte
beginnend bei Schritt 311.
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4A ist
eine weitere Ausführungsform
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung der
vorliegenden Erfindung wie in 4A gezeigt
enthält
ein Thermoelementmodul 42A, ein Thermoelement 47A,
eine elektronische Last 49A und eine Diode 49B,
die Elemente zusätzlich
zu der Vorrichtung wie in 4 gezeigt
sind. Die Vorrichtung von 4A führt im wesentlichen
die gleichen Funktionen wie die in 4 gezeigte
aus, außer Funktionen,
die vom Thermoelementmodul 42A, vom Thermoelement 47A,
von der elektronischen Last 49A und der Diode 49B ausgeführt werden.
Der Computer oder Mikroprozessor 41 kann die Batterietemperatur
der Batterie 47 unter Verwendung des Thermoelements 47A (über das
Thermoelementmodul 42A) überwachen. Der Computer 41 kann
das Laden der Batterie 47 stoppen, wenn die von dem Thermoelement 47A gemessene
Batterietemperatur zu heiß ist,
z.B. eine tolerierbare Grenze übersteigt.
Zudem kann das Elektronikmodul 49A die Batterie 47 entladen,
und die Diode 49B kann die Stromversorgung 49 schützen, indem
sie den Strom von der Batterie 47 in die Stromversorgung 49 stoppt,
wenn die Stromversorgungsspannung niedrig ist oder wenn der elektrische
Strom zu der Stromversorgung 49 ausfällt.
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Die
vorliegende Erfindung ist besonders vorteilhaft, weil ihre Prozeßschritte
auf automatisierte Weise in einem Computer oder Mikroprozessor 41 implementiert werden
können
und durch Umprogrammieren der programmierten Einrichtung 40 rekonfiguriert
werden können.
Der Computer oder Mikroprozessor 41 kann ebenfalls (gegenüber der
programmierten Einrichtung 40) programmiert werden, um
die Batterie 47 mit einer gesteuerten Ladespannung zu laden,
anstelle des Stromsteuerungsverfahrens in verschiedenen Ausführungsformen,
wie in 2 und 3 gezeigt.
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5 ist
ein Flußdiagramm,
das eine weitere Ausführungsform
des Spannungssteuerungsverfahrens der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Unter
Bezugnahme auf 5 wird der Innenwiderstand (IR)
der Blei-Säure-Batterie
gemessen (Schritt 501). Es wird im Schritt 503 bestimmt,
ob der IR in einem wiederherstellbaren Bereich von z.B. zwischen 0,2
bis 5 Ohm (Ω)
liegt. Wenn der IR nicht innerhalb des wiederherstellbaren Bereichs
liegt, läßt sich
die Batterie nicht wiederherstellen, und ein Signal wird gesendet,
zu entsorgen oder zu warnen, daß die
Batterie entsorgt werden sollte (Schritt 504). Wenn der IR
der Batterie innerhalb des wiederherstellbaren Bereichs liegt, dann
wird die Ladespannung heraufgesetzt (Schritt 505). Schritt 507 vergleicht
den Batteriestrom mit einer ersten Stromgrenze. Wenn der Batteriestrom
nicht die erste Stromgrenze erreicht hat, dann kehrt der Steuerfluß zurück zu Schritt 505,
wo die Ladespannung weiter heraufgesetzt wird, und die Prozeßschritte
beginnend bei Schritt 505 werden wiederholt. Wenn der Batteriestrom
die erste Stromgrenze erreicht hat, wird die Batterie mit der erhöhten Spannung
geladen (Schritt 509).
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Schritt 511 vergleicht
den Batteriestrom mit einer zweiten Stromgrenze. Wenn der Batteriestrom nicht
die zweite Stromgrenze unter einer konstanten Ladespannung erreicht
hat, dann kehrt der Steuerfluß zurück zu Schritt 509,
wo die Batterie mit der Ladespannung geladen wird, und die Prozeßschritte beginnend
bei Schritt 509 werden wiederholt. Wenn der Batteriestrom
die zweite Stromgrenze erreicht hat, wird die Ladespannung in Schritt 513 herabgesetzt.
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Schritt 515 vergleicht
den Batteriestrom mit der zweiten Stromgrenze. Wenn der Batteriestrom nicht
die erste Stromgrenze erreicht hat, dann kehrt der Steuerfluß zurück zu Schritt 513,
wo die Ladespannung herabgesetzt wird, und die Prozeßschritte beginnend
bei Schritt 513 werden wiederholt. Wenn der Batteriestrom
die erste Stromgrenze erreicht hat, wird der Steuerfluß zu Schritt 517 gelenkt.
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Schritt 517 vergleicht
die Ladespannung mit einer voreingestellten Grenze. Wenn die Ladespannung
größer als
die voreingestellte Grenze ist, kehrt der Steuerfluß zurück zu Schritt 509,
wo die Batterie geladen wird, und die Prozeßschritte beginnend bei Schritt 509 werden
wiederholt. Wenn die Ladespannung kleiner oder gleich der voreingestellten
Grenze ist, erfolgt in Schritt 519 an der Batterie ein
normales Laden (wie oben erörtert).
Nachdem das normale Laden beendet ist, steht die Batterie für den Gebrauch zur
Verwendung.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung können in
jeder Anwendung verwendet werden, die Blei-Säure-Batterien verwendet, wie
etwa bei Kraftfahrzeugen das Anlassen, die Beleuchtung, die Zündung (SLI),
Rasenmähern,
Traktoren, Marine, Elektrowagendienst. Zu anderen Anwendungen zählen Antriebskraft,
stationäre
oder abgedichtete Batterieverwendungen wie etwa Industrielastkraftwagen,
Materialienweiterreichung, Unterseestrom, Notstrom, Kraftwerke,
unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV), Fernsehen, tragbare Werkzeuge,
Lichter, Haushaltsgeräte,
Radios, Kassetten- und Kompaktdiskabspielgeräte usw.