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Technisches
Gebiet
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden einer wiederaufladbaren
Batterie, die einen nichtflüssigen
Elektrolyten, z. B. einen gelförmigen Elektrolyten
aufweist, wobei die Batterie eine interne Resonanzfrequenz aufweist.
Während
des Ladens wird ein Ladestrom an eine Batterie angelegt. Die Erfindung
betrifft ferner eine Schaltungsanordnung zum Implementieren des
Verfahren zum Laden einer Batterie mit einem nichtflüssigen Elektrolyten,
bei dem eine elektrische Stromversorgung über ein Strommessgerät mit den
Batterieanschlüssen
verbunden ist.
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Technischer
Hintergrund
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Es
sind verschiedene Verfahren für
das schnelle Laden von Batterien bekannt, bei denen der Ladestrom
periodisch unterbrochen wird und während der Ladepause eine kurze
Entladung erfolgt oder eine Last an die zu ladende Batterie angelegt wird.
Das Ziel besteht bei diesen Verfahren darin, die Dauer des Ladens
möglichst
stark zu verringern und die Lebensdauer der Batterie durch die richtige
Wartung und Formierung der Speicherzellen zu verlängern.
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Es
ist bereits festgestellt worden, dass wiederaufladbare Batterien
frequenzabhängige
Charakteristiken und Resonanzfrequenzen aufweisen. Dies kann u.
a. aus der Veröffentlichung
von Australien Telstra Research Laboratories, J. M. Hawkins & L. O. Barling: "Some aspects of battery
impedance characteristics" (IEEE
1995) oder aus der Veröffentlichung von
Keith S. Champlin, Kevin Bertness: "A Fundamentally New Approach to Battery
Performance Analysis Using DFRATM/DFISTM Technology" (2000) erkannt werden. Beide Artikel
beschreiben Verfahren und Anordnungen zum Messen des frequenzabhängigen Impedanzverhaltens
von Batterien. Beide Veröffentlichungen
enthalten gezeichnete Impedanzcharakteristiken, die bei einer bestimmten
Frequenz, d. h. bei einer Resonanzfrequenz Extremwerte aufweisen.
Die Impedanzcharakteristik einer Batterie enthält einen Bereich mit kapazitiver
Reaktanz bei Frequenzen unterhalb der Frequenz des und eine induktive
Reaktanz bei Frequenzen oberhalb des Extremwertes. Das Ersatzschaltbild
einer Batterie ist eine Reihenresonanzschaltung.
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Die
internationale Veröffentlichung
WO 01/29950 betrifft ein Verfahren, durch welches Vorrichtungen,
die elektrische Energie verbrauchen, wie etwa eine Batterie, die
Resonanzcharakteristiken aufweist, mit Pulsfolgen versorgt werden,
die geeignete Charakteristiken von Spannung, Frequenz und Pulsbreite
aufweisen. Das Ziel dieses Verfahrens besteht darin, den Energieverbrauch
minimal zu machen und den Wirkungsgrad zu verbessern.
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Die
Ladungsspeicherkapazität
einer Batterie wird durch Ah, Amperestunden, angegeben. Aus diesem
Wert wird ein Wert C5 abgeleitet, indem der Ah-Wert durch die Zeit
dividiert wird, d. h. Amperestunden/Stunden, deshalb hat C5 die
Dimension eines Stroms. Der Ladestrom der Batterie wird als ein Verhältnis von
C5 bestimmt. Für
eine Batterie mit einer Kapazität
von 55 Ah beträgt
C5 = 55 A. Der geeignete Ladestrom der Batterie wird als ein Verhältnis von
C5 angegeben, z. B. 0,1·C5,
d. h. in diesem Fall 5,5 A. in der folgenden Beschreibung wird der
Term C5 gemäß dieser
Definition verwendet.
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In
dem Patent
US 5 600 226 ist
ein Verfahren zum Steuern und Beenden der Ladung einer Batterie beschrieben.
Bei dem Verfahren wird die Spannung an den Anschlüssen der
Batterie periodisch gemessen und mit dem Ergebnis der vorherigen
Messung verglichen, wobei dann anhand der Differenz dieser beiden
Messungen der Ladungszustandspegel der Batterie bestimmt wird. Bei
dieser bekannten Lösung wird
das Laden periodisch unterbrochen und während der Ladungspause werden
die Messungen nach einem kurzen Entladepuls ausgeführt. Am
Anfang wird das Laden langsamer als bei der abschließenden Laderate,
bei etwa 20% dieser abschließenden Rate
ausgeführt,
wobei dann die Laderate durch Vergrößerung der Ladepulsbreite auf
die definitive Laderate vergrößert wird.
Dieses Verfahren ist vor allem entwickelt worden, um das Ladungsverfahren
an einem Punkt zu beenden, bei dem die Batterie eine volle Ladung
erreicht hat. Ein Schnellladen der Batterie wird ebenfalls realisiert.
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Ein ähnliches
Schnellladeverfahren ist in der internationalen Patentanmeldung
Nr. WO 00/76050 A1 offenbart, bei dieser Lösung werden jedoch zwei aufeinander
folgende Entladepulse in jedem Ladeintervall angelegt. Nach jedem
der beiden aufeinander folgenden Entladepulse werden Messungen ausgeführt, um
genauere Daten über
den Zustand der wiederaufladbaren Batterie zu sammeln.
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In
dem Patent
US 4 947 124 ist
ein Verfahren zum Laden eines Nickel-Cadmium-Akkumulators und zum gleichzeitigen
Prüfen
seines Zustands beschrieben. Gemäß diesem
Verfahren wird ein kontinuierlicher Ladestrom mit Strompulsen überlagert.
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zu schaffen, durch die das Laden von wiederaufladbaren Batterien
schneller als bei bekannten Verfahren erreicht werden kann.
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Offenbarung
der Erfindung
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Es
ist bekannt, dass die Verringerung der Ladezeit durch die Langsamkeit
der chemischen Umwandlungen, die der Ladestrom in der Batterie bewirkt,
begrenzt ist. Wenn die Rate der chemischen Umwandlungen in den Zellen
der wiederaufladbaren Batterie vergrößert werden kann, kann die
Ladezeit verringert werden. Demzufolge ist es die Aufgabe der Erfindung,
ein Ladeverfahren zu schaffen, bei dem die molekularen Bewegungen
in den Zellen der wiederaufladbaren Batterie beschleunigt werden
können und
dadurch die für
die chemischen Umwandlungen erforderliche Zeit und die für eine vollständige Ladung
selbst erforderliche Zeit verringert werden können.
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Es
ist erkannt worden, dass die Intensität eines gepulsten Ladestroms,
der an eine wiederaufladbare Batterie angelegt und von dieser aufgenommen wird,
eine Funktion der Frequenz der Ladeimpulse ist, d. h. die Impedanz
der wiederaufladbaren Batterie variiert mit der Frequenz. Durch
Variieren der Ladepulsfrequenz kann ein Spitzenwert des Stroms als Funktion
der Frequenz für
die Batterie gefunden werden. Der Spitzenwert der Stromfrequenz
schwankt von Batterie zu Batterie und hängt von ihrem Ladungszustand
ab. Das erfindungsgemäße Verfahren und
die Vorrichtung, die das Verfahren implementiert, beruhen auf dieser
Erkenntnis.
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Die
Aufgabe der Erfindung, die oben festgelegt wurde, wird durch das
erfindungsgemäße Verfahren
in der Weise gelöst,
dass das Ladeverfahren wenigstens ein Ladeintervall enthält, welches
mit Strompulsen ausgeführt
wird, die Frequenz dieser Strompulse im Wesentlichen identisch mit
der internen Resonanzfrequenz der zu ladenden wiederaufladbaren
Batterie ist, nach dem Ladeintervall ein erstes Relaxationsintervall
eingesetzt wird, in welchem kein Ladestrom an die wiederaufladbare
Batterie angelegt wird, und innerhalb der ersten Relaxationsperiode
ein erstes Entladeintervall angewandt wird, nach der ersten Relaxationsperiode
die Ladung in einem Intervall ausgeführt wird, welches aus einem kontinuierlichen
Ladestrom besteht, dessen Dauer zwischen 200 ms und 1500 ms liegt,
dieses Intervall gefolgt wird von einem zweiten Relaxationsintervall, in
dem kein Ladestrom an die wiederaufladbare Batterie angelegt wird,
innerhalb des zweiten Relaxationsintervalls ein zweites Entladeintervall
angewandt wird und nach dem zweiten Relaxationsintervall wieder
ein Ladeintervall mit periodischen Strompulsen angewandt wird. Die
relative Einschaltdauer der periodischen Strompulse liegt zwischen
1:10 und 10:1 und der Spitzenstrom der Strompulse liegt im Bereich von
1·C5
bis 7·C5.
Die Dauer des Intervalls von periodischen Strompulsen liegt zwischen
200 ms und 1500 ms, wobei die Frequenz der periodischen Strompulse
innerhalb des Bereichs von 100 Hz bis 10000 Hz liegt.
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Der
Vorteil dieses Verfahrens besteht in der Tatsache, dass dann, wenn
das Laden mit Pulsen bei der Resonanzfrequenz der wiederaufladbaren
Batterie erfolgt, das Vielfache des gewöhnlichen Ladestroms ohne eine
wesentliche Verlustwärme
und ohne Beschädigung
der Batterie angelegt werden kann, während eine intensive interne
molekulare Bewegung in den Zellen erreicht werden kann, die eine wesentliche
Beschleunigung der chemischen Umwandlungen und des Ladens der Batterie
zur Folge hat. Das Laden der Batterie mit Strompulsen wird im Wesentlichen
ausgeführt,
um das intensive Laden zu akzeptieren, wobei dann ein intensives
Laden mit dem kontinuierlichen Ladestrom ausgeführt werden kann. Ein weiterer
Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass während des ersten Relaxationsintervalls die
chemischen Umwandlungen weiter verbessert werden, wobei dann das
nächste
Laden mit periodischen Strompulsen die Molekularbewegungen in den Zellen
wieder wirkungsvoll beeinträchtigt.
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Innerhalb
des ersten Relaxationsintervalls wird ein erstes Entladungsintervall
angewandt, dessen Dauer nicht mehr als 50 ms beträgt. Innerhalb des
zweiten Relaxationsintervalls wird ein zweites Entladungsintervall
angewandt, dessen Dauer ebenso nicht mehr als 50 ms beträgt. Diese
Entladungsintervalle beeinflussen vorteilhaft die Ladungsaufnahmekapazität der wiederaufladbaren
Batterie.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
die das Verfahren gemäß der Erfindung
implementiert, weist die zu ladende Batterie eine interne Resonanzfrequenz
auf, bei der ein gepulster Ladestrom mit einer variierenden Frequenz
eine Spitze aufweist, wobei im Verlauf der Ladung der wiederaufladbaren
Batterie über
ein Strommessgerät
eine Stromversorgung mit den Anschlüssen der wiederaufladbaren
Batterie verbunden ist, zusätzlich
zum Strommessgerät
zwischen einem der Anschlüsse
der Batterie und der Stromversorgung eine gesteuerte Stromquelle
eingebaut ist, auf deren Steuerungseingang ein Steuerungssignal
mittels einer Steuerungseinheit aufgebracht wird, wobei während des
Ladens der wiederaufladbaren Batterie die Steuerungseinheit periodisch
zunächst
für die
Dauer des Ladeintervalls zum Erzeugen von Stromimpulsen durch die
Stromquelle eine Pulsfolge erzeugt, die eine Frequenz entsprechend
der internen Resonanzfrequenz der wiederaufladbaren Batterie aufweist,
die Steuerungseinheit ein erstes Relaxationsintervall nach dem Ladeintervall
einsetzt, welches den Strom über
die gesteuerte Stromquelle für
das erste Relaxationsintervall unterbricht, wonach die Steuerungseinheit
ein Steuerungssignal für
die Dauer des Ladeintervalls erzeugt, zum Erzeugen des kontinuierlichen
Ladestroms durch die gesteuerte Stromquelle mit einer Größe zwischen
1·C5
und 7·C5,
die Steuerungseinheit nach dem Ladeintervall des kontinuierlichen
Ladestroms ein zweites Relaxationsintervall mittels eines Steuerungssignals
einsetzt, welches den Strom durch die gesteuerte Stromquelle für das zweite
Relaxationsintervall unterbricht, wobei parallel zu den Anschlüssen der
zu ladenden wiederaufladbaren Batterie mindestens ein Entladungsstromkreis
angeschlossen ist, welcher aus einer Reihenanordnung eines Widerstands
und eines gesteuerten Schalters besteht, und mit dem Steuerungseingang
des gesteuerten Schalters ein Ausgang der Steuerungseinheit verbunden ist,
der einen ersten Puls innerhalb der ersten Relaxationsperiode entsprechend
dem ersten Entladungsintervall und einen zweiten Puls innerhalb
des zweiten Entladungsintervalls entsprechend dem zweiten Entladungsintervall übermittelt.
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Das
Laden der wiederaufladbaren Batterie, welches das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet, kann bis zu ihrem vollständig geladenen Zustand fortgesetzt
werden. Die Feststellung, Erfassung und Anzeige des geladenen Zustands
sind nicht Aufgaben dieser Erfindung, wobei für diesen Zweck verschiedene
andere Lösungen
bekannt sind.
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
sowie die Vorrichtung für
das Implementieren des Verfahrens werden nachfolgend genau erläutert, wobei
eine Bezugnahme auf die beispielhafte Ausführungsform, die in den beigefügten Zeichnungen
dargestellt ist, erfolgt.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine erläuternde
graphische Darstellung, die den Ladestrom als eine Funktion der
Zeit zeigt;
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2 ist
eine weitere erläuternde
graphische Darstellung, die eine andere Abfolge des Ladestroms als
eine Funktion der Zeit zeigt;
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3 ist
eine graphische Darstellung, die den Ladestrom als eine Funktion
der Zeit gemäß einem
bevorzugten Verfahren der Erfindung zeigt; und
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4 ist
ein Prinzipschaltplan einer Vorrichtung zum Implementieren des Verfahrens
gemäß der Erfindung.
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Beste Art
der Ausführung
der Erfindung
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An
der horizontalen Achse der graphischen Darstellung, die in 1 gezeigt
ist, ist die Zeit t aufgetragen, und an der vertikalen Achse ist
der Strom I, der an die Anschlüsse
der wiederaufladbaren Batterie angelegt wird, aufgetragen. Das Ladeverfahren, welches
in 1 dargestellt ist, ist kein Verfahren gemäß der Erfindung.
Der Ladestrom wird durch eine elektrische Stromversorgung über eine
Ladeschaltung an die Anschlüsse
der zu ladenden Batterie angelegt, wobei die Stromversorgung ein
Gleichrichter sein kann, der an die Wechselspannungsleitung angeschlossen
ist, oder gleichfalls eine Batterie mit einer höheren Spannung oder dergleichen
ebenso verwendet werden kann. Bei dieser Ausführungsform werden unterschiedliche
Ladeintervalle in den Ladestrom eingefügt, und zwar ein Intervall
a, das ein gepulstes Ladeintervall ist, dem ein Intervall e folgt,
das ein Ladeintervall mit einem kontinuierlichen Ladestrom ist.
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Das
Intervall a ist ein Ladeintervall, das Ladestrompulse enthält. Die
Frequenz der Pulsfolge ist im Wesentlichen identisch mit der internen
Resonanzfrequenz der wiederaufladbaren Batterie. Diese Resonanzfrequenz
liegt in der Praxis im Bereich von 100 bis 10000 Hz, es sind jedoch
auch wiederaufladbare Batterien mit höheren Resonanzfrequenzen bekannt.
Die relative Einschaltdauer der Pulse, d. h. das Signal/Pause-Verhältnis kann
im Bereich von 1:10 bis 10:1 gewählt
werden. Die Dauer des Intervalls a liegt vorzugsweise innerhalb
des Bereichs von 200 ms bis 1500 ms. Innerhalb dieses Bereichs muss
die genauere Dauer in Übereinstimmung
mit dem Typ der wiederaufladbaren Batterie experimentell ermittelt
werden.
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Im
Intervall a liegt die Intensität
der Strompulse Ip vorteilhaft im Bereich von 1·C5 bis 7·C5, deren Wert ebenfalls
in Übereinstimmung
mit dem Typ der entsprechenden wiederaufladbaren Batterie experimentell
ermittelt werden muss.
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Im
Intervall a nimmt die wiederaufladbare Batterie eine verhältnismäßig kleinere
Ladung auf, wobei die Pulsfolge dieses Intervalls die Zellen der wiederaufladbaren
Batterie im Wesentlichen vorbereitet, die Ladung aufzunehmen. Dem
Intervall a folgt ein Intervall e, dessen Dauer vorzugsweise zwischen 200
ms und 1500 ms liegt, wobei die optimale Dauer dieses Intervalls
e ebenfalls in Übereinstimmung
mit dem Typ der wiederaufladbaren Batterie ermittelt werden muss.
Innerhalb des Intervalls e ist der Wert des Ladestrompulses Ic konstant
und sein Wert liegt vorteilhaft im Bereich von 1·C5 bis 7·C5.
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Der
optimale Strompuls Ip innerhalb des Intervalls a, der Ladestrom
Ic innerhalb des Intervalls e sowie die Dauer des Intervalls a und
die Dauer des Intervalls e können
als konstant betrachtet werden. Diese Werte variieren für wiederaufladbare
Batterien eines vorgegebenen Typs nicht.
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Wie
in 1 erkannt werden kann, wiederholt sich der Abschnitt,
der das oben erwähnte
Intervall a und das Intervall e enthält, d. h. nach einem Intervall
e folgt wieder ein Intervall a, dann folgt ein Intervall e. Dieser
Prozess kann periodisch wiederholt werden, bis die vollständige Ladung
der wiederaufladbaren Batterie erreicht ist.
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In 2 ist
eine Variation für
das Ladeverfahren der wiederaufladbaren Batterie dargestellt, bei der
der Periode, die das Intervall a und das Intervall e enthält, ein
zweites Relaxationsintervall p1 folgt, während dessen kein Ladestrom
angelegt ist. Während
dieses zweiten Relaxationsintervalls p1 unterstützt die interne chemische Umwandlung
der wiederaufladbaren Batterie die wirkungsvollere Ladungsaufnahme.
Die Dauer des zweiten Relaxationsintervalls p1 kann im Wesentlichen
sehr kurz sein und vorzugsweise höchstens 1500 ms betragen, wobei
die optimale Dauer dieses Intervalls ebenfalls in Übereinstimmung
mit dem Typ der wiederaufladbaren Batterie experimentell ermittelt
werden muss. Nach dem zweiten Relaxationsintervall p1 folgt wieder
ein Intervall a, das eine periodische Strompulsfolge enthält. Die
Abfolge der Intervalle a, e und p1 wiederholt sich periodisch. Dieser
Prozess kann wiederholt werden, bis eine vollständige Ladung der wiederaufladbaren
Batterie erreicht ist. Das Ladeverfahren, das in 2 dargestellt
ist, ist kein erfindungsgemäßes Verfahren.
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Die
Ladungsaufnahmekapazität
der wiederaufladbaren Batterie kann vergrößert werden, wenn während des
zweiten Relaxationsintervalls p1 eine kurzes zweites Entladeintervall
g eingesetzt wird, dessen Dauer höchstens 50 ms beträgt. Dieses
zweite Entladeintervall g wird mit einer Verzögerung von höchstens
700 ms nach dem Intervall e angewandt. Die Entladung wird mit einem
begrenzten Strom -Id1 ausgeführt,
dessen Stärke
höchstens
7·C5
beträgt.
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In 3 ist
die bevorzugte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
gezeigt, die sich von dem in 2 gezeigten
Verfahren darin unterscheidet, dass zwischen dem Intervall a, das
eine Strompulsfolge enthält,
und dem Intervall e mit einem kontinuierlichen Ladestrom ein erstes
Relaxationsintervall p2 eingesetzt ist. Die Dauer des ersten Relaxationsintervalls
p2 kann wahlweise so kurz wie das zweite Relaxationsintervall p1
sein, ihre Dauern sind jedoch nicht notwendigerweise gleich. Die
maximale Dauer des ersten Relaxationsintervalls p2 ist ebenfalls
1500 ms. Innerhalb des ersten Relaxationsintervalls p2 ist ein erstes
Entladeintervall c eingesetzt, dessen Dauer höchstens 50 ms beträgt. Dieses
erste Entladeintervall c wird mit einer Verzögerung von höchstens
700 ms nach dem Intervall a, das Strompulsfolgen enthält, angewandt.
Die Entladung wird mit einem begrenzten Strom –Id2 ausgeführt, dessen Stärke höchstens
7·C5
beträgt.
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Das
Verfahren, das in Verbindung mit den oben erwähnten Beispielen offenbart
wurde, muss nicht notwendigerweise während der vollen Ladezeit der
wiederaufladbaren Batterie angewendet werden. Die Ladezeit kann
wirkungsvoll verringert werden, selbst wenn der kontinuierliche
Ladestrom der wiederaufladbaren Batterie durch ein Intervall a,
das Strompulsfolgen enthält,
oder durch die Intervalle a bis g oder p1, p2, die jeweils in den 1 bis 3 gezeigt
sind, unterbrochen wird.
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Das
ununterbrochene Laden kann am Beginn des Ladeprozesses dann erwünscht sein,
wenn eine wiederaufladbare Batterie vollständig oder tief entladen ist.
Bei derartigen Batterien gibt es meistens kein Resonanzphänomen. In
diesen Fällen
sollte die wiederaufladbare Batterie durch kontinuierliches Laden
wenigstens bis zu einem solchen Ladungspegel geladen werden, bei
dem die interne Resonanz der wiederaufladbaren Batterie detektiert
werden kann und von diesem Pegel an kann das in den 1 bis 3 gezeigte
Verfahren wirkungsvoll angewandt werden. Wiederaufladbare Batterien,
die ständig
verwendet werden, werden jedoch gewöhnlich nicht bis zu einem derartigen
tiefen Pegel entladen.
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Der
Schaltplan einer Batterieladevorrichtung gemäß der Erfindung, die das erfindungsgemäße Verfahren
implementiert, ist in 4 gezeigt. Der Ladestrom, der
an die wiederaufladbare Batterie 1 angelegt wird, wird
von einer elektrischen Stromversorgung 2 oder einer anderen
wiederaufladbaren Batterie mit höherer
Spannung oder in ähnlicher
Weise durch eine gesteuerte Stromquelle 3 geliefert. Zwischen
die Stromquelle 3 und die wiederaufladbare Batterie 1 ist
ein Strommessgerät 4 eingesetzt.
Parallel zu den Anschlüssen
der wiederaufladbaren Batterie 1 ist eine gesteuerte Ladeeinheit
geschaltet, die eine Reihenanordnung aus einem Widerstand 7 und einem
gesteuerten Schalter 6 enthält, wobei der zuletzt genannte
Schalter vorzugsweise eine Halbleiterschaltvorrichtung ist, z. B.
ein FET oder ein Transistor oder ein anderes schnell wirkendes gesteuertes Schaltelement.
Der Steuerungseingang des gesteuerten Schalters 6 ist mit
dem Ausgang Icd1 der Steuerungsschaltung 5 verbunden.
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Das
Verfahren gemäß den 1 bis 3 wird
durch eine Steuerungsschaltung 5 implementiert, z. B. mittels
eines Generators mit programmierbarer Funktion. Dementsprechend
ist der Steuerungsausgang Iv der Steuerungseinheit 5 mit
dem Steuerungseingang der Stromquelle 3 verbunden. Während des
Ladeintervalls, das periodische Strompulsfolgen enthält, liefert
dieser Steuerungsausgang Iv einen Rechteckpuls mit einer Frequenz,
die mit der internen Resonanzfrequenz der zu ladenden wiederaufladbaren
Batterie 1 identisch ist, wobei dessen Amplitude zu der
Intensität
des Pulses Ip proportional ist. Dieser Rechteckpuls schaltet die
Stromquelle 3 während
des Pulses ein und legt Strompulse Ip an die wiederaufladbare Batterie 1 an,
wobei die Amplitude der Rechteckpulse zu den Ladestrompulsen Ip, die über die
Strommesseinheit 4 angelegt werden, proportional ist.
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Gemäß der bevorzugten
Ausführungsform der
Erfindung, die in 4 gezeigt ist, ist der positive Anschluss
der wiederaufladbaren Batterie 1 mit dem Spannungsmesseingang
Um der Steuerungseinheit 5 verbunden. Der Ausgang des Strommessgeräts 4 ist
mit dem Strommesseingang Im der Steuerungsschaltung 5 verbunden.
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Das
Strommessgerät 4 kann
ein beliebiger bekannter Strommesser sein, wie etwa ein bekannter Hall-Generator,
ein einfacher Widerstand, der in 4 schematisch
dargestellt ist, kann jedoch ebenfalls verwendet werden, an dessen
Enden eine Spannung erscheint, die zu dem Ladestrom, der in die
wiederaufladbare Batterie 1 fließt, proportional ist, wobei für diesen
Zweck jedes andere bekannte Strommesselement verwendet werden kann.
Die Spannung an dem Strommesswiderstand, der in dem Beispiel gezeigt
und in 4 dargestellt ist, wird an den Spannungsmesseingang
Um und den Strommesseingang Im der Steuerungseinheit 5 angelegt.
Durch diese Spannung steuert die Steuerungseinheit 5 die
Amplitude des Rechteckpulses, der am Steuerungsausgang Iv erscheint.
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Die
Frequenz der Rechteckpulse, die am Steuerungsausgang Iv erscheinen,
kann am Funktionsgenerator der Steuerungseinheit eingestellt werden
oder wird dann, wenn die Batterieladeeinrichtung bei einem bestimmten
Typ der wiederaufladbaren Batterie verwendet wird, auf eine festgelegte
Frequenz gesetzt. Erfahrungsgemäß kann die
relative Einschaltdauer der Rechteckpulse innerhalb des Bereichs
von 1:10 bis 10:1 variieren, sie kann in Übereinstimmung mit dem Typ
der wiederaufladbaren Batterie experimentell genauer ermittelt werden.
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Der
Funktionsgenerator der Steuerungseinheit 5 liefert das
Intervall e in ähnlicher
Weise wie das zweite Relaxationsintervall p1 oder das erste Relaxationsintervall
p2, die in 3 gezeigt sind. Während des
Intervalls e erscheint ein kontinuierliches Signal am Ausgang Iv,
wohingegen während
des zweiten Relaxationsintervalls p1 und des ersten Relaxationsintervalls
p2 die Stromquelle 3 im abgeschalteten Zustand ist, d.
h. sie liefert keinen Ladestrom.
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Im
Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden während
des zweiten Relaxationsintervalls p1 und des ersten Relaxationsintervalls
p2 das erste Entladeintervall c und das zweite Entladeintervall
g, die wahlweise angewandt werden können, mittels einer Reihenentlade-
oder Ladeschaltung implementiert, die einen Widerstand 7 und
einen gesteuerten Schalter 6 enthält. Für diesen Zweck liefert die Steuerungseinheit 5 über ihren
Ausgang Icd1 Pulse an den Steuerungseingang des gesteuerten Schalters 6,
die vorzugsweise durch den oben erwähnten Funktionsgenerator erzeugt
werden, wobei die Dauer der Pulse der Dauer des ersten Entladeintervalls
c bzw. des zweiten Entladeintervalls g entspricht. Durch diese Pulse
schließt
der Schalter 6 und ein Entladestrom, der durch den Widerstand 7 und
die Spannung der Batterie 1 festgelegt ist, belastet die wiederaufladbare
Batterie 1 für
die Dauer des Pulses.
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Wenn
in den Relaxationsintervallen p1 und p2 die Entladeströme –Id1 und –Id2 in
dem ersten Entladeintervall c und dem zweiten Entladeintervall g unterschiedlich
sind, wird eine weitere Ladeschaltung, die einen gesteuerten Schalter 6' und einen Widerstand 7' enthält, parallel
mit den Anschlüssen
der wiederaufladbaren Batterie 1 verbunden. Der Eingang
des gesteuerten Schalters 6' ist
mit dem Ausgang Icd2 der Steuerungseinheit 5 verbunden.
Die Ladeschaltungen, die zwei unterschiedliche Widerstände 7 und 7' enthalten,
belasten die wiederaufladbare Batterie 1 mit unterschiedlichen
Entladeströmen –Id1 und –Id2.
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Die
Steuerungseinheit 5 kann in der Weise aufgebaut sein, dass
vor dem Laden an der wiederaufladbaren Batterie 1 eine
Prüfung
ausgeführt
werden kann. Die Prüfungsergebnisse
können
gespeichert und das Laden kann anhand der gespeicherten Daten ausgeführt werden.
In einer vorausgehenden Prüfperiode liefert
z. B. der Funktionsgenerator der Steuerungseinheit 5 einen
Rechteckpuls mit einer kontinuierlich variierenden gewobbelten Frequenz zwischen
100 Hz und 10000 Hz, dessen Amplitude bedeutend geringer ist als
die des Rechteckpulses, der beim Laden verwendet wird, und z. B.
einen Wert von 0,1·C5
hat. Aus diesem Grund ist zwischen der Stromversorgung 2 und
dem Strommessgerät 4 eine Reihenanordnung
aus einem gesteuerten Schalter 8 und einem Widerstand 9 enthalten,
wie in 4 gezeigt ist. Der Steuerungseingang des gesteuerten Schalters 8 ist
mit einem Ausgang It der Steuerungseinheit 5 verbunden.
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Für Prüfzwecke
muss eine niedrige Mess-Strompulsfolge angelegt werden, bei der
sichergestellt werden kann, dass dann, wenn die Frequenz des Messladestroms,
der an die wiederaufladbare Batterie angelegt wird, variiert werden
kann, selbst bei Resonanzfrequenz nicht der Sättigungsstrom erreicht wird.
Dieser Strom kann mit dem Widerstand 9 eingestellt werden.
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Die
Spannung, die zu dem Prüfladestrom proportional
ist, der eine Wobbelfrequenz aufweist, die durch das Strommessgerät 4 gemessen
wird, das zwischen dem Spannungsmesseingang Um und dem Strommesseingang
Im vorhanden ist, ist zu dem Innenwiderstand der geprüften wiederaufladbaren Batterie
bei der momentanen Frequenz des Rechteckpulses proportional. Diese
Mess-Ladestrompulsfolge besitzt einen Spitzenwert als Funktion der
Pulsfrequenz, der die Resonanzfrequenz der geprüften wiederaufladbaren Batterie
darstellt.
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Die
Stromquelle 3, der Schalter 8 und der Widerstand 9 können natürlich ebenso
in einer einzigen Schaltung integriert sein, mit der sowohl die
Prüfung als
auch das Laden der wiederaufladbaren Batterie ausgeführt werden
kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist vorgesehen für
eine Verwendung beim Laden von wiederaufladbaren Batterien mit einem
nichtflüssigen
Elektrolyten, wie etwa Li-Ionen-, NiCd-, NiMH- und Bleibatterien
mit einem gelförmigen
Elektrolyten (SLA).