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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Aufladen einer wiederaufladbaren Batterie, wobei eine Elektroenergie-Quelle
an die Batterie angeschlossen ist. Während des Ladevorgangs werden
ein charakteristischer oder mehrere charakteristische Parameter
des Aufladeprozesses laufend gemessen und wahlweise berechnet, und
diese werden mit Referenzwerten verglichen. Die Erfindung betrifft
außerdem
eine Vorrichtung zum Durchführen
des Verfahrens.
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Wenn eine wiederaufladbare Batterie
wie beispielsweise eine NiCd-Batterie aufgeladen wird, wird an die
Anschlussklemmen der Batterie eine elektrische Spannung höher als
die Klemmenspannung der Batterie angelegt, wodurch ein Strom die Batterie
durchläuft.
Dieser Strom löst
einen chemischen Prozess aus, über
den in der Batterie Energie gespeichert wird.
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Wenn die Batterie einen Volllade-Zustand
erreicht hat, kommt der chemische Prozess zum Stillstand, und die
hinzukommende Energie wird stattdessen in Wärme umgewandelt. Da die Batterie
als versiegelter Behälter
gestaltet ist, erhöht
sich der Druck innerhalb der Batterie, was eine chemische Zerstörung verursacht.
Dies bedeutet, dass die Kapazität
der Batterie reduziert wird, und nach einigen solchen Aufladevorgängen kann
die Kapazität schließlich erheblich
reduziert worden sein. Um die Batterie auf die bestmögliche Weise
zu benutzen, ist es daher einerseits wichtig, dass die Batterie
vollständig
aufgeladen wird, andererseits, dass der Ladevorgang abgebrochen
wird, bevor die Erzeugung von Wärme
zu groß wird.
Das Problem ist daher, den Ladevorgang so präzise wie möglich zum richtigen Zeitpunkt
zu unterbrechen.
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Häufig
wird gewünscht,
dass die Auflade-Zeitspanne für
eine Batterie so kurz wie möglich sein
soll, was zur Verwendung von immer größeren Ladeströmen geführt hat,
und, da dies den Wärmeerzeugungsprozess
zusätzlich
beschleunigt, ist es dann sogar noch wichtiger, den Ladevorgang
zum richtigen Zeitpunkt zu unterbrechen.
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Bei einer typischen Aufladesequenz
nimmt die Spannung über
der Batterie gleichmäßig zu, wenn
die Batterie aufgeladen wird. Wenn sich die Batterie ihrem Volllade-Zustand
annähert,
steigt die Spannung steiler bis auf einen Spitzenwert an, der den
Volllade-Zustand kennzeichnet. Danach fällt die Spannung infolge der
Temperaturzunahme wieder, da der Temperaturkoeffizient der Spannung
negativ ist. Dementsprechend fällt
der Ladestrom typischerweise bei Vollladung auf ein Minimum und
steigt dann an.
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Aus dem Stand der Technik sind einige
Verfahren bekannt, bei denen versucht wird, ein optimales Aufladen
zu gewährleisten,
indem die Aufladung zum richtigen Zeitpunkt abgeschaltet wird. Es
ist jedoch herausgefunden worden, dass es ihnen an Präzision mangelt.
Falls die Aufladung zu spät
abgebrochen wird, ist wie erwähnt
Wärmeerzeugung
und mechanische Zerstörung
die Folge, und falls die Aufladung zu früh abgeschaltet wird, wird die
Batterie unzureichend aufgeladen.
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Eines der bekannten Verfahren weist
ein Messen der Temperatur der Batterie und anschließendes Abschalten
der Aufladung auf, wenn ein Ansteigen der Temperatur beobachtet
wird. Es ist jedoch häufig
zu spät,
wenn der Temperaturanstieg so groß ist, dass er gemessen werden
kann, und es ist außerdem
schwierig, die Temperatur ausreichend exakt zu messen, wofür ein Grund
die möglichen
Variationen der Umgebungstemperatur sind. Dies ist beispielsweise
der Fall, falls eine Batterie von einem Automobiltelefon im Winter
aus einem kalten Auto zu einem Aufladegerät gebracht wird, welches Raumtemperatur
hat.
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Ein anderes bekanntes Verfahren weist
ein Messen der Spannung über
der Batterie und ein Abschalten der Aufladung auf, wenn die Spannung
ein vorbestimmtes Niveau erreicht. Diese Spannung variiert jedoch
häufig
in gewissem Maße
von Batterie zu Batterie, selbst bei Batterien vom gleichen Typ,
und ist außerdem
temperaturabhängig,
sodass es sehr schwierig ist, die Spannung zu ermitteln, bei der
die Aufladung abzuschalten ist.
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Ähnlich
ist es möglich,
den Ladestrom zu messen, und auch hier treffen die gleichen Beobachtungen
zu.
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Viele bekannte Aufladegeräte basieren
auf festgesetzten Zeitspannen, sodass der Ladevorgang einfach abgeschaltet
wird, nachdem diese Zeit abgelaufen ist. Dies ist jedoch ein sehr
unzweckmäßiges Verfahren,
da es im Voraus nicht bekannt ist, ob die Batterie vollständig oder
nur teilweise entladen ist, und die erforderliche Aufladezeit hängt stark
davon ab. Dies könnte
gelöst
werden, indem die Batterie vor dem Ladevorgang vollständig entladen
wird; aber neben der damit verbundenen Energieverschwendung nimmt
dies auch eine bestimmte Zeit in Anspruch, und es wird außerdem immer
noch eine erhebliche Differenz zwischen den notwendigen Aufladezeiten von
Batterie zu Batterie geben.
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Ein fortschrittlicheres Verfahren
ist, die Spannungsänderung
(oder Stromänderung)
als eine Funktion der Zeit zu messen, d. h. der Anstieg einer Kurve,
die die Spannung als Funktion der Zeit zeigt. Die Patentschrift
US 4,052,656 offenbart beispielsweise
ein Verfahren, das die Stelle ermittelt, bei der der Anstieg 0 ist,
was dem Spitzenwert entspricht, bei dem die Batterie voll aufgeladen
ist; es ist jedoch schwierig diese Stelle exakt zu ermitteln, da
die Kurve in diesem Bereich sehr flach sein kann, und ein anderer
Nachteil besteht darin, dass andere Punkte in der Kurve vorhanden
sein können,
bei denen der Anstieg 0 ist, sodass der Ladevorgang zu früh abgeschaltet
wird.
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Gemäß der US-Patentschrift Nr.
4,747,854 wird dementsprechend ermittelt, wann die Spannungskurve
einen negativen Anstieg annimmt, der einen Referenzwert überschreitet.
Die gerade angestellten Beobachtungen treffen hierfür ebenfalls
zu; jedoch kann zu diesem Zeitpunkt die Batterie bereits bis zu
einem gewissen Grad überladen
worden sein, was die Batterie beschädigen kann.
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Auch gemäß der US-Patentschrift Nr. 4,388,582
wird die Änderungsrate
der Spannungskurve gemessen, um die Stelle herauszufinden, an der
der Anstieg der Kurve vom Ansteigen zum Abfallen wechselt. Dies
ist ein zuverlässigeres
Verfahren, da die Batterie selten überladen wird; auf der anderen
Seite jedoch kann der Ort der fraglichen Stelle sehr stark variieren,
und der Ladevorgang wird typischerweise viel zu früh beendet,
sodass die Batterie nur zu einem Teil ihrer vollen Kapazität aufgeladen ist.
Außerdem
bringt dies ein Risiko von falschen Messungen mit sich, falls beispielsweise
der Ladestrom- oder die Spannungszufuhr während des Ladevorgangs geändert wird.
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Ferner offenbart die US-Patentschrift
Nr. 4,755,735 ein Verfahren, bei dem eine zeitliche Ableitung der
Batterietemperatur, welche Ableitung den Temperaturanstieg der Batterie
darstellt, gemessen wird. Ist die zeitliche Ableitung der Temperatur
kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert, der kennzeichnet, dass
die Batterie ihren Volllade-Zustand erreicht hat, wird die Batterie
mit einer hohen Rate geladen. Überschreitet
die zeitliche Ableitung der Temperatur den Schwellenwert, wird die
Aufladung mit hoher Rate beendet und zu einer Erhaltungsladung oder
einer nullwertigen Ladung gewechselt. Es gibt kein Anzeichen der
Möglichkeit,
eine verbleibende Zeitdauer der Aufladezeit gemäß der gemessenen Änderungsrate
der Batterietemperatur zu ermitteln.
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Es ist ferner bekannt, eine Kombination
einiger der oben erwähnten
Verfahren zu verwenden. So betrifft beispielsweise die US-Patentschrift
Nr. 4,639,655 vier Abbruchkriterien, nämlich eine Spannungsgrenze,
eine vorbestimmte Zeitbegrenzung, ein berechnetes Ansteigen in der
Spannungskurve ebenso wie die Stelle, an der der Anstieg der Spannungskurve
0 ist. Der Ladevorgang wird unterbrochen, falls nur eines dieser
Kriterien erfüllt
ist. Die erwähnte
Zeitgrenze wird ausgewählt,
nachdem der Ladevorgang gestartet worden ist, eine Anfangsspannungsmessung
wird durchgeführt,
und auf der Basis dieser eine kurze oder lange Aufladezeit ausgewählt wird,
beispielsweise eine Stunde oder 1,75 Stunden. Der Vorteil besteht
darin, dass der Batterieentladungszustand in gewissem Maß von Anfang
an eben so wie die Anzahl der Zellen in der Batterie berücksichtigt
werden; dies ist jedoch immer noch eine ziemlich unpräzise Methode,
die ein Risiko der Batterieüberladung
mit sich bringt.
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Die Erfindung schafft ein Verfahren,
bei dem der Ladevorgang der Batterie ohne ein Risiko des Überladens
und dabei mechanischen Zerstörens
der Batterie zu dem optimalen Zeitpunkt beendet werden kann, an
dem die Batterie voll aufgeladen worden ist.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch
erreicht, dass es in Antwort auf den Vergleich zwischen den gemessenen
oder berechneten Parametern und bekannten Referenzwerten zu einem
beliebigen Zeitpunkt möglich
ist, eine restliche Auflade-Zeitspanne und
dadurch einen möglichen
Stopp-Zeitpunkt für den
folgenden Aufladeprozess zu ermitteln, welcher Ladevorgang als Antwort
auf diese Stopp-Zeitpunkte abgeschaltet werden kann.
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Charakteristische Parameter schließen beispielsweise
die Spannung über
der Batterie oder den Ladestrom ein. Die Erfahrung zeigt, dass bezüglich Kurven,
die diese Parameter als eine Funktion über die Zeit zeigen, eine starke
Korrelation zwischen dem zeitpunktanen Erscheinungsbild der Kurven
und dem Abstand zu dem Zeitpunkt besteht, wo es optimal ist, das
Laden zu beenden. Nachdem das zeitpunktane Erscheinungsbild der
Kurve gemessen worden ist, kann so relativ leicht durch Vergleich
mit den Referenzwerten bestimmt werden, wie lang die Batterie noch
aufzuladen ist.
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Typischerweise wird der Ladevorgang
beendet, wenn der erste der erzeugten Stopp-Zeitpunkte auftritt;
es sind jedoch auch ausgeklügeltere
Lösungen
denkbar, wobei beispielsweise dem Stopp-Zeitpunkt, der als letzter
berechnet worden ist, eine größere Bedeutung
zukommt. So kann nach Wahl ein Stopp-Zeitpunkt ignoriert werden, falls spätere Berechnungen
zeigen, dass er falsch gewesen ist.
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Es ist besonders zweckmäßig, die Änderungsrate
der Parameter als eine Funktion über
die Zeit herauszufinden, welche Änderungsrate
dem Anstieg der erwähnten
Kurven entspricht, und dies kann durch Speichern der Messwerte erfolgen,
sodass zu einem gegebenen Zeitpunkt der aktuelle Wert mit einem
vorherigen Messwert verglichen werden kann, wodurch die Änderungsrate
berechnet werden kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
gibt es lediglich eine begrenzte Anzahl von Referenzwerten, und
ein neuer Stopp-Zeitpunkt
für den
Aufladeprozess wird nur ermittelt, wenn der betreffende oder die
betreffenden Parameter einen der Referenzwerte annimmt bzw. annehmen.
Dies führt
zu einer einfacheren Vorgehensweise, mittels der nichts desto weniger
ganz normal der optimale Stopp-Zeitpunkt mit ausreichender Genauigkeit
ermittelt werden kann.
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Wenn der gemessene Parameter die
Spannung über
die Verbindungsanschlüsse
der Batterie ist, wird eine exaktere Messung erlangt, falls der
Ladestrom an die Batterie für
eine kurze Zeitspanne abgeschaltet wird, bevor die Spannung gemessen
wird. Der Grund dafür
ist, dass die Batterie einen internen Reihenwiderstand aufweist,
und durch den Ladestrom wird über
diesen Widerstand ein Spannungsabfall erzeugt, der in der Spannungsmessung
nicht enthalten sein sollte.
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Insbesondere kann es im Fall eines Schnell-Auflademodus', bei dem ein hoher
Ladestrom verwendet wird, vorteilhaft sein, den Ladestrom allmählich zu
reduzieren, wenn der Stopp-Zeitpunkt näher rückt, weil es dann einfacher
sein wird, den optimalen Stopp-Zeitpunkt herauszufinden. So kann
der Ladevorgang beispielsweise mit einem konstanten hohen Ladestrom
durchgeführt
werden, bis einer der gemessenen Parameter ein vorbestimmtes Niveau
erreicht hat, woraufhin der Strom allmählich reduziert werden kann.
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Eine zweckmäßige Weise, den gewünschten Ladestrom
zu erlangen, ist es, eine Konstantspannungsquelle zu verwenden, die
auf eine Weise pulsbreitenmoduliert ist, dass sie den gewünschten
Ladestrom zur Verfügung
stellt.
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Es kann oft ein Vorteil sein, das
Verfahren des Ermittelns des möglichen
Stopp-Zeitpunkts für den
Aufladeprozess nicht zu initiieren, bis sich der Aufladeprozess
seinem Ende nähert.
So kann eine einfachere Methode, wie die einfache Strom- oder Spannungsmessung,
verwendet werden, um zu entscheiden, wann das präzisere Verfahren initiiert
werden soll.
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Bei einer bestimmten Ausführungsform
wird die Genauigkeit der Messungen dadurch verbessert, dass die
Messwerte der charakteristischen Parameter für jeden der erwähnten Zeitpunkte
einen Durchschnitt einer Mehrzahl von Zwischenmessungen darstellen.
Der Vorteil ist, dass die Messungen beispielsweise im Hinblick auf Übergangseffekte
weniger empfindlich sind. Natürlich
kann dieselbe Wirkung erlangt werden, indem der fragliche Parameter über die Zeitspanne,
die seit der letzten Messung vergangen ist, integriert wird.
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Es kann ein Vorteil sein, einige
der Stoppkriterien, die im Stand der Technik verwendet werden, als
eine zusätzliche
Schutzvorkehrung anzuwenden. So kann beispielsweise eine maximale
Auflade-Zeitspanne festgesetzt werden. Der Ladevorgang wird dann
spätestens
zu diesem Zeitpunkt abgebrochen, selbst wenn die anderen Abbruchkriterien
noch nicht aufgetreten sind. Es ist ebenfalls möglich, Grenzwerte für einen
oder mehrere der gemessenen Parameter festzusetzen, sodass der Ladevorgang
beendet wird, falls einer der Parameter spezifische Werte überschreitet
oder unterschreitet.
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Nach der Beendigung des Ladevorgangs kann
es zweckmäßig sein,
den Ladezustand der Batterie mittels eines pulsierenden Stroms aufrechtzuerhalten.
Dies gewährleistet,
dass die Batterie konstant vollständig aufgeladen bleibt, selbst
wenn sie lange nach der Beendigung des Ladevorgangs nicht von der
Aufladevorrichtung entfernt wird.
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Es kann ebenso zweckmäßig sein,
kurz eine Spannung an die Batterie anzulegen, bevor der tatsächliche
Ladevorgang initiiert wird. Indem auf diese Weise die charakteristischen
Parameter gemessen werden, kann entschieden werden, ob eine Batterie des
richtigen Typs und ohne Fehler in die Aufladevorrichtung eingelegt
ist. Falls dies nicht der Fall ist, wird kein Ladevorgang durchgeführt. Auf
diese Weise wird die Aufladung von falschen Batterietypen oder defekten
Batterien verhindert, in denen beispielsweise eine Zelle falsch
herum gedreht ist.
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Eine Vorrichtung zum Aufladen einer
wiederaufladbaren Batterie gemäß dem beschriebenen
Verfahren kann eine Elektroenergie-Quelle, eine Messeinrichtung,
die in der Lage ist, einen oder mehrere der charakteristischen Parameter
zu messen und die Messergebnisse über einen Analog/Digital-Wandler einer
Steuereinheit zuzuführen,
die ihrerseits in der Lage ist, andere charakteristische Parameter
zu berechnen und die Energiequelle anzusteuern, wie auch einen Speicherschaltkreis
zum Speichern von Messwerten, berechneten Werten und Referenzwerten
aufweisen. Ferner kann die Vorrichtung während des Ladevorgangs mittels
der Steuereinheit die charakteristischen Parameter mit Referenzwerten
vergleichen.
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Der gewünschte Effekt wird dadurch
erreicht, dass die Vorrichtung als Antwort auf den Vergleich einen
möglichen
Aufladeprozess-Stopp-Zeitpunkt für jeden
oder einige der Zeitpunkte ermittelt, und dass sie den Aufladeprozess
als Antwort auf die so erzeugten Stopp-Zeitpunkte beenden kann.
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Eine besonders zweckmäßige Ausführungsform
der Vorrichtung ist eingerichtet, für jeden der Zeitpunkte aktuelle
Messwerte für
die charakteristischen Parameter mit früheren Messwerten derselben Parameter
zu vergleichen, um dadurch die Änderungsrate
der Parameter als eine Funktion der Zeit zu ermitteln, was dem Anstieg
der Kurve entspricht, die die betreffenden Parameter als eine Funktion über die
Zeit zeigt. Die Stopp-Zeitpunkte
werden ermittelt, indem die Änderungsrate
mit Referenzwerten verglichen wird.
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Falls die Vorrichtung die Spannung über die Anschlussklemmen
der Batterie misst, wird es vorteilhaft sein, dass die Vorrichtung
den Ladestrom an die Batterie für
eine kurze Zeitspanne abschalten kann, bevor die Spannung gemessen
wird, wodurch es ermöglicht
wird, den Spannungsabfall, der über
dem Innenwiderstand der Batterie auftritt, aus der Betrachtung herauszulassen.
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Die Vorrichtung kann vorteilhaft
derart gestaltet sein, dass der Ladestrom an die Batterie mittels
Pulsbreitenmodulierens einer konstanten Spannung gesteuert werden
kann, wobei die Pulsbreite mittels der Steuereinheit der Vorrichtung
in Antwort auf die erlangten Messergebnisse gesteuert wird.
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Als eine zusätzliche Sicherung kann die
Vorrichtung eingerichtet sein, die Aufladung abzuschalten, falls
andere und einfachere Abbruchkriterien auftreten. Der Ladevorgang
kann beispielsweise abgeschaltet werden, falls eine ermittelte maximale
Auflade-Zeitspanne überschritten
wird, oder falls einer der gemessenen Parameter einen vorbestimmten
Wert überschreitet
oder unter einen vorbestimmten Wert fällt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
ist die Vorrichtung außerdem
eingerichtet, den Ladezustand der Batterie mittels eines pulsierenden
Stroms aufrechtzuerhalten, nachdem der Ladevorgang beendet ist.
Es wird hierdurch gewährleistet,
dass die Batterie noch vollständig
aufgeladen ist, selbst wenn sie auch eine lange Zeit nach der Beendigung
der eigentlichen Aufladung noch nicht aus der Vorrichtung entfernt
worden ist.
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Eine zusätzliche Ausführungsform
ist eingerichtet, kurz eine Spannung an die Batterie anzulegen,
bevor mit dem Ladevorgang begonnen wird, und die charakteristischen
Parameter zu messen. Der Aufladeprozess wird dann nur initiiert,
falls diese Messungen bestimmte Bedingungen erfüllen. Hierdurch ist gewährleistet,
dass der Ladevorgang nicht mit einer falschen oder defekten Batterie
durchgeführt
wird.
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Gemäß einem anderen Aspekt wird
durch die Erfindung ein Verfahren zum Aufladen einer wiederaufladbaren
Batterie, die ein Paar Anschlussklemmen aufweist, bereitgestellt,
wobei das Verfahren das Koppeln einer Elektroenergie-Quelle mit
den Anschlussklemmen der Batterie, das Überwachen des Verhaltens des
mindestens einen Aufladeparameters während mindestens eines Abschnitts
des Prozesses des Aufladens der Batterie, das Vergleichen des Verlaufs
des mindestens einen Aufladeparameters mit einer Anzahl von Referenz-Parameterverläufen, die
ideale oder erwünschte
Prozesse des Aufladens der Batterie für unterschiedliche Anfangszustände beim
Aufladen der Batterie kennzeichnen, das Auswählen des Referenzverlaufs mit
einem Anfangszustand des Ladevorgangs, der gleich dem tatsächlichen
Anfangszustand des Ladevorgangs der Batterie ist, und Regeln des
Prozesses des Aufladens der Batterie derart, dass der Verlauf des
mindestens einen Parameters an den ausgewählten Referenzverlauf angenähert ist,
aufweist.
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Eine kleinere oder größere Anzahl
von empirisch ermittelten Referenz-Parameterverläufen kann beispielsweise mittels
elektronischer Speichermittel, wie beispielsweise einem Speicher,
gespeichert werden (wie beispielsweise Darstellungen, in denen Werte
des Referenzparameters gegen die Zeit dargestellt sind, die seit
dem Beginn des Aufladeprozesses abgelaufen ist). Ist es erwünscht, die
wiederaufladbare Batterie, ohne sie wesentlich in ihren Eigenschaften
zu verschlechtern, schnell aufzuladen, hängt der ideale oder wünschenswerte
Prozess des Aufladens hauptsächlich
vom Ladezustand der Batterie vor dem Beginn des Aufladeprozesses
ab. Daher stellen die gespeicherten Referenz-Parameterverläufe ideale
oder wünschenswerte
Aufladeprozesse für
unterschiedliche Anfangszustände
des Ladevorgangs der Batterie dar. Ist der Zustand der wieder aufzuladenden
Batterie bekannt, oder kann er ermittelt werden, kann der Referenzverlauf,
dessen Anfangs-Ladezustand dem tatsächlichen Ladezustand der wieder
aufzuladenden Batterie am nächsten
liegt, ausgewählt
werden, und der Aufladeprozess der Batterie kann derart gesteuert
werden, dass er dem Verlauf des mindestens einen Parameters des
ausgewählten
Referenzverlaufs angenähert
ist, wodurch gewährleistet
werden kann, dass die Batterie zu keinem Zeitpunkt einer übermäßig hohen
Spannung oder einem übermäßig hohen
Ladestrom oder einer übermäßigen Wärmeentwicklung
ausgesetzt ist.
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Im Prinzip kann der Ladezustand der
wieder aufzuladenden Batterie mittels eines speziellen Messschrittes
ermittelt werden, und der entsprechende Referenz-Parameterverlauf,
der an den gleichen oder einen ähnlichen
Anfangszustand des Ladevorgangs angepasst ist, kann beispielsweise
mittels Bereitstellens der relevanten Information einer elektronischen
Steuereinheit mittels geeigneter Tasten ausgewählt werden. Bei der bevorzugten
Ausführungsform
jedoch wird der relevante Referenzverlauf automatisch mittels eines
elektronischen Steuerschaltkreises ausgewählt.
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Der Aufladeparameter kann beispielsweise das
Potential zwischen den Batterieanschlussklemmen, den der Batterie
zugeführten
elektrischen Ladestrom, die Temperatur der Batteriezelle, die Änderungsrate
eines beliebigen solchen Parameters und eine beliebige Kombination
solcher Parameter und/oder der Änderungsrate
aufweisen.
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Es ist verständlich, dass der Aufladeprozess in
einer beliebigen geeigneten Weise gesteuert werden kann, durch die
der Verlauf des Aufladeparameters dem ausgewählten Referenz-Parameterverlauf angenähert werden
kann. Bei der bevorzugten Ausführungsform
jedoch wird der Aufladeprozess durch Steuern der den Anschlussklemmen
der Batterie zugeführten
Spannung gesteuert. Die Spannung wird vorzugsweise derart gesteuert,
dass der der Batterie zugeführte
Ladestrom zu Beginn des Aufladeprozesses relativ gering ist, während der
Ladestrom vorzugsweise während
eines nachfolgenden Hauptteils des Aufladeprozesses auf im Wesentlichen
dem gleichen Maximalwert gehalten wird, um so den Aufladeprozess
zu beschleunigen.
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Zum Ende des Aufladeprozesses hin
kann der Innenwiderstand der Batteriezelle steigen, wodurch die
Ladespannung dazu neigt, sich zu erhöhen, wenn der Ladestrom auf
diesem Maximalwert gehalten werden soll. Eine zu hohe Spannung kann eine
abträgliche
Temperaturerhöhung
in den Batteriezellen hervorrufen. Daher wird die den Anschlussklemmen
der Batterie zugeführte
Spannung vorzugsweise auf ein vorbestimmtes Maximum beschränkt, wobei
der Aufladeprozess beim Ablaufen einer vorbestimmten Zeitdauer beendet
wird, beginnend mit dem Zeitpunkt, zu dem die Spannung das Maximum erreicht
hat. Dies bedeutet, dass die Ladespannung vorzugsweise während der
vorbestimmten Zeitdauer auf ihrem Maximalwert gehalten wird, und
der Ladestrom wird sich während
dieser Zeitperiode normalerweise allmählich verringern, wie sich
der Innenwiderstand der Batteriezellen erhöht, was vorzugsweise so ausgewählt ist,
dass die Batterie im Wesentlichen voll geladen ist, wenn die Zeitperiode
abgelaufen ist. Vorzugsweise ist die vorbestimmte Zeitperiode auf
den ausgewählten
Referenzverlauf bezogen, was bedeutet, dass der jeweilige Referenz-Parameterverlauf
Information nicht nur über
die maximale Ladespannung, die der Batterie zuzuführen ist,
sondern auch über
die Zeitdauer aufweist, in der die Maximalspannung am Ende der Auflade-Zeitspanne
gehalten werden soll.
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Wie oben erwähnt, können die Referenz-Parameterverläufe, die
mit dem tatsächlichen
Parameterverlauf zu vergleichen sind, Kurven oder Graphen sein,
und der Vergleichsprozess kann durch eine Design-Erkennungs-Technik
mittels einer Design-Erkennungsschaltung
durchgeführt
werden. Bei der gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsform
jedoch wird der Aufladeparameter gegenwärtig in kurzen Zeitintervallen
während
des Ladevorgangs gemessen, die gemessenen Parameterwerte werden
mit entsprechenden Referenzwerten der Referenz-Parameterverläufe verglichen,
und der relevante Referenz-Parameterverlauf wird auf der Basis des
Vergleichs solcher gemessenen Werte und Referenzwerte ausgewählt. Der
Vergleichsprozess kann gegenwärtig
während
des Aufladeprozesses durchgeführt
werden, sodass der Steuerschaltkreis oder die Steuereinheit von
einem Referenz-Parameterverlauf auf einen anderen umschalten kann,
wenn der fortlaufende Vergleichsprozess ergibt, dass der zunächst ausgewählte Referenz-Parameterverlauf
nicht der ist, der dem tatsächlichen
Aufladeprozess am nächsten
liegt.
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Beim Vergleichen der Aufladeparameterwerte
mit den Referenzwerten kann es vorteilhaft sein, die Änderungsrate
der Parameter als eine Funktion über
der abgelaufenen Ladezeit mit gleichartigen Referenzwerten zu vergleichen.
Als ein Beispiel kann die Änderungsrate
der Ladespannung als eine Funktion über der abgelaufenen Ladezeit
mit den entsprechenden Referenzwerten verglichen werden. Um die Erfassung
der innenwiderstandsfreien Spannung der Batterie zu ermöglichen,
kann der Ladestrom für
eine kurze Zeitdauer unmittelbar vor der jeweiligen Messung des
Potential-Unterschieds an den Batterieklemmen unterbrochen werden.
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Die Parameter können gemessen und die Änderungsrate
der Parameterwerte kann ermittelt werden in gleichmäßigen ersten
Zeitintervallen, wobei jede Ermittlung der Änderungsrate auf in zweiten Zeitintervallen
gemessenen Parameterwerten basiert, wobei das zweite Zeitintervall
ein Mehrfaches des ersten Zeitintervalls ist. Die Parameterwerte
können
ziemlich oft gemessen werden, was bedeutet, dass das erste Zeitintervall
relativ kurz sein kann, beispielsweise etwa 10 Sekunden. Die Änderungsrate jedoch
basiert vorzugsweise auf Messungen mit einem zeitlichen Abstand,
der um ein Vielfaches größer ist,
beispielsweise 90 Sekunden.
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Die Ermittlung der Änderungsrate
kann zu Beginn des Aufladeprozesses initiiert werden. Jedoch kann
die Ermittlung der Änderungsrate
in vorteilhafter Weise verschoben werden, bis ein gemessener Wert
der charakteristischen Parameter einen vorbestimmten Wert überschreitet,
wenn es klar ist, dass die am besten zu unterscheidenden Änderungsraten
nach solch einem vorbestimmten Parameterwert gefunden werden.
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Die gespeicherten Referenz-Parameterverläufe können nicht
nur Verläufe,
die Aufladeprozesse darstellen, die für einen oder den gleichen Typ
von Batterien ideal oder wünschenswert
sind, sondern selbst eine Mehrzahl von Referenz-Parameterverläufen für jede von
zwei oder mehr unterschiedlichen Typen von Batterien aufweisen.
In solch einem Fall kann der erste Prozessschritt sein, den Typ
der aufzuladenden Batterie zu ermitteln und die Referenz-Parameter-Verläufe in Bezug
auf diesen Batterietyp auszuwählen.
Danach kann der Prozess wie oben beschrieben fortgeführt werden.
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Durch die Erfindung ist ferner eine
Vorrichtung zum Aufladen einer wiederaufladbaren Batterie vorgesehen,
wobei die Vorrichtung ein Kopplungsmittel zum Koppeln der Batterie
mit einer Elektroenergie-Quelle, Mittel zum Überwachen des Verlaufs von
zumindest einem Aufladeparameter während mindestens eines Abschnitts
des Prozesses des Aufladens der Batterie, Speichermittel zum Speichern
einer Mehrzahl von Referenz-Parameterverläufen, die ideale oder wünschenswerte
Prozesse des Aufladens der Batterie für unterschiedliche Anfangszustände des
Ladevorgangs der Batterie darstellen, Mittel zum Vergleichen des
Verlaufs des mindestens einen Aufladeparameters mit den mittels
des Speichermittels gespeicherten Referenz-Parameterverläufen und
zum Auswählen
des Referenzverlaufs mit einem Anfangszustand des Ladevorgangs,
der gleich dem Anfangszustand des Ladevorgangs der Batterie ist,
sowie Mittel zum Regeln des Prozesses des Aufladens der Batterie
aufweist, sodass der Verlauf des mindestens einen Parameters dem
ausgewählten Parameterverlauf
angenähert
ist.
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Der Betrieb einer solchen Vorrichtung
kann beispielsweise mittels eines Mikroprozessors oder eines anderen
elektronischen Steuerschaltkreises gesteuert werden, der auch einen
Speicher zum Speichern der Referenzparameter-Verläufe aufweist.
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Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf
die Zeichnung beschrieben, in der
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1 eine
Kurve ist, die die Spannung als Funktion über die Zeit für eine NiCd-Batterie
zeigt, die mit einem konstanten Strom aufgeladen wird,
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2 einen
Abschnitt der Kurve aus 1 zeigt,
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3 die
Kurven von gesteuerten Auflade-Verläufen für eine NiCd-Batterie zeigt,
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4 die
Batteriespannung einer NiCd-Batterie als Funktion über die
Zeit für
6 unterschiedliche Anfangszustände
der Aufladung zeigt,
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5 ein
Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, und
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6 ein
Schaltkreisdiagramm einer Ausführungsform
der Vorrichtung aus 5 zeigt.
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1 zeigt
eine typische Aufladesequenz für
eine NiCd-Batterie. Die Kurve zeigt die Batteriespannung als eine
Funktion über
die Zeit bei einem konstanten Ladestrom. Die Kurvenform wird für alle NiCd-Batterien
dieselbe sein, jedoch können
die spezifischen Spannungs- und Zeitwerte variieren, beispielsweise
mit dem aktuellen Ladestrom und von Batterie zu Batterie. Die Kurve
kann in Abschnitte unterteilt werden, die verschieden Stufen im
Aufladeprozess repräsentieren.
Die Figur zeigt 4 Abschnitte, die mit A, B, C bzw. D markiert sind.
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Der mit A markierte Abschnitt stellt
den Beginn des Aufladeprozesses dar. Wenn der Aufladeprozess initiiert
wird, kann die Spannung abhängig vom
Ladezustand der Batterie vor dem Beginn des Ladevorgangs in gewissem
Maße variieren.
Da die Spannung in diesem Abschnitt daher ziemlich unbestimmt ist,
werden in diesem Bereich üblicherweise keine
exakten Messungen durchgeführt.
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Der Buchstabe B bezeichnet die eigentliche Auflade-Zeitspanne,
in der der Ladestrom über
den oben erwähnten
chemischen Prozess in gespeicherte Energie in der Batterie umgewandelt
wird. In dieser Zeitspanne nimmt die Batteriespannung nur langsam zu.
In dem Abschnitt C nähert
sich die Batterie nun ihrem Volllade-Zustand, und die Spannung beginnt, schneller
anzusteigen. Zum Ende des Abschnitts C beginnt sich Sauerstoff zu
entwickeln, was in einem Druckanstieg und dadurch einem Temperaturanstieg in
der Batterie resultiert. Dies bedeutet, dass die Spannung wegen
ihres negativen Temperaturkoeffizienten nun wiederum weit langsamer
zunimmt. Die Batteriespannung nimmt an der Übergangsstelle zwischen den
Abschnitten C und D nicht mehr weiter zu und hat auf diese Weise
ihren Höchstwert
erreicht.
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Falls der Aufladeprozess im Abschnitt
D fortgesetzt wird, fällt
die Batteriespannung nun ab, weil die elektrische Energie nun grundsätzlich in
Hitze umgewandelt wird. Der resultierende Anstieg von Temperatur
und Druck wird eine mechanische Zerstörung in der Batterie verursachen,
deren Kapazität daher
reduziert wird. Der Aufladeprozess sollte daher zu Beginn oder im
Anfangsbereich des Abschnitts D abgeschaltet werden.
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Die Erfindung basiert auf der Tatsache,
dass mittels Tests herausgefunden worden ist, dass selbst, obwohl
die Kurve in Antwort auf den verwendeten Ladestrom und die Vergangenheit
der fraglichen Batterie in gewissem Maße variieren kann, innerhalb
der Abschnitte A, B, und C zwischen verschiedenen Aufladeparameterwerten,
wie dem Anstieg der Kurve zu einem gegebenen Zeitpunkt in dem Abschnitt
C und dem zeitlichen Abstand von dem fraglichen Zeitpunkt bis zu
dem optimalen Stopp-Zeitpunkt für
den Aufladeprozess, eine starke Korrelation besteht.
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Falls die Information über die
Korrelation in einem elektronischen Schaltkreis gespeichert ist,
für den
unten ein Beispiel angegeben wird, ist es daher relativ einfach
zu berechnen oder zu ermitteln, wie lange der Ladevorgang in der
Batterie fortgesetzt werden sollte, und dadurch den optimalen Stopp-Zeitpunkt
für den
Aufladeprozess zu berechnen oder zu ermitteln, nachdem der Anstieg
der Kurve zu einem gegebenen Zeitpunkt gemessen worden ist. Falls
diese Berechnung zu mehreren aufeinanderfolgenden Zeitpunkten ausgeführt wird, wird
auf diese Weise eine entsprechende Anzahl von Vorschlägen für den optimalen
Stopp-Zeitpunkt erlangt werden. 2 zeigt
ein Beispiel, bei dem drei Messungen durchgeführt worden sind. Eine verbleibende Auflade-Zeitspanne
von ΔT1
wird zum Zeitpunkt T1 berechnet, eine verbleibende Auflade-Zeitspanne ΔT2 wird zum
Zeitpunkt T2 berechnet, und eine verbleibende Auflade-Zeitspanne ΔT3 wird zum
Zeitpunkt T3 berechnet. In der Figur erscheinen die drei berechneten
Stopp-Zeitpunkte zu exakt demselben Zeitpunkt. In der Praxis jedoch
werden die berechneten Stopp-Zeitpunkte bei einer sich ergebenden
Anzahl von Vorschlägen
für Stopp-Zeitpunkte üblicherweise
leicht differieren. In der hier beschriebenen Ausführungsform
der Erfindung wird entschieden, den Aufladeprozess abzuschalten,
wenn der erste der berechneten Stopp-Zeitpunkte erscheint. Da ein Mikroprozessor
in der nachstehend beschriebenen Vorrichtung integriert ist, sind
auch ausgeklügeltere Abbruchkriterien
denkbar. Daher wird es beispielsweise möglich sein, dem zuletzt berechneten Stopp-Zeitpunkt
eine größere Wichtigkeit
einzuräumen.
Es ist daher beispielsweise möglich,
einige der zunächst
berechneten Werte außer
acht zu lassen, falls sich alle nachfolgenden Berechnungen um einen
spezifischen Wert herum bewegen.
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Wie erwähnt, zeigen die 1 und 2 die Spannung über die Batterie als eine Funktion über die
Zeit für
den Fall, dass ein konstanter Ladestrom verwendet wird. Eine entsprechende
typische Kurve ergibt sich, falls der Ladestrom bei einer konstanten Aufladespannung
als eine Funktion über
die Zeit aufgezeichnet wird, und es werden reproduzierbare Kurven
erlangt, die die oben erwähnten
Stadien im Aufladeprozess zeigen, selbst wenn weder der Ladestrom
noch die Aufladespannung konstant gehalten werden. Es wird deutlich,
dass diese Kurven auf eine ähnliche
Weise, wie oben beschrieben worden ist, verwendet werden können.
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Für
andere Batterietypen werden entsprechende Kurven von einem unterschiedlichen
Erscheinungsbild erlangt. Für
einige von ihnen wird die Korrelation zwischen dem tatsächlichen
Messzeitpunkt und der optimalen verbleibenden Auflade- Zeitspanne nicht
notwendigerweise mit dem Anstieg der Kurve zum fraglichen Zeitpunkt
im Zusammenhang stehen, jedoch mit anderen Parametern für die Kurve,
wie beispielsweise der absoluten Spannung zu dem betreffenden Zeitpunkt.
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Eine Ausführungsform der Erfindung weist ein
ständiges
Messen des Anstiegs der Spannungskurve, beispielsweise alle 10 Sekunden,
auf. Für
jede Messung werden eine verbleibende Auflade-Zeitspanne und dadurch
ein neuer Vorschlag für
einen Stopp-Zeitpunkt berechnet. Der Prozessor kann dann entweder
diesen Wert zusammen mit den anderen speichern, oder er kann ihn
in eine ausgeklügeltere
Berechnung davon, wann der Aufladeprozess zu beenden ist, einbinden.
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Eine andere Ausführungsform weist ein vorheriges
Speichern einer begrenzten Anzahl von Referenzwerten für den Anstieg
der Kurve auf. Bei jeder Messung wird der aktuelle Anstieg der Kurve
mit den Referenzwerten verglichen, und nur wenn der Anstieg einen
der Referenzwerte durchläuft,
berechnet der Prozessor einen neuen Stopp-Zeitpunkt. Auf diese Weise
wird Rechenzeit für
den Prozessor eingespart, und das Ergebnis wird in vielen Situationen vollständig befriedigend
sein.
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Wie erwähnt, sind die Kurven in den 1 und 2 mit einem konstanten Ladestrom versehen. Eine
alternative Möglichkeit
besteht jedoch darin, den Ladestrom jedes Mal, wenn eine Spannungsmessung
durchgeführt
wird, kurz abzuschalten. Auf diese Weise wird eine ziemlich ähnliche
Kurve erlangt, die absoluten Spannungswerte werden jedoch leicht
kleiner sein, weil die Kurve nicht den durch den Ladestrom über den
Innenwiderstand der Batterie eingebrachten Spannungsabfall mit beinhaltet.
Da dieser Innenwiderstand typischerweise zum Ende der Aufladesequenz
zunimmt, wird eine Spannungsmessung ohne diesen Beitrag eine exaktere
Messung des Batteriezustandes darstellen.
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Wie vorher erwähnt, werden reproduzierbare Kurven
erlangt, selbst wenn der Ladestrom während des gesamten Aufladeprozesses
nicht konstant gehalten wird. Das Prinzip der Erfindung kann daher sehr
gut mit einem Aufladeprozess kombiniert werden, bei dem anfänglich die
Aufladung mit einem konstant hohen Strom durchgeführt wird,
der dann zum Ende des Aufladeprozesses hin verringert wird. Durch
Verwendung des geringeren Ladestroms während des letzten Teils des
Aufladeprozesses wird es möglich,
den optimalen Stopp-Zeitpunkt genauer zu ermitteln, ohne dass die
Gesamt-Aufladezeit spürbar vermindert
ist. Dies kann mit der Durchführung
lediglich einer einfachen Spannungsmessung während des ersten Abschnitts
des Aufladeprozesses kombiniert werden. Wenn die Spannung einen
vorbestimmten Wert erreicht hat, kann der Ladestrom verringert werden,
und die Messung des Anstiegs der Kurve kann wie oben beschrieben
initiiert werden. Selbstverständlich
ist es ebenso möglich,
den Ladestrom bei einem Spannungswert zu verringern und die Messung
des Anstiegs der Kurve bei einem anderen Spannungswert zu initiieren.
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3 zeigt
typische Aufladekurven, die gemäß einer
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
erlangt werden, wenn eine NiCd-Batterie aufgeladen wird. Die Kurve
V zeigt die Batteriespannung als eine Funktion über die Zeit, wenn die der Batterie
zugeführte
Spannung erfindungsgemäß derart
gesteuert wird, dass eine optimale Ladestromkurve C und eine optimale
Batterietemperaturkurve T erlangt werden. Die Batteriespannungskurve
V kann in Abschnitte unterteilt werden, die ähnlich wie in 1 verschiedene Stufen des Aufladeprozesses
darstellen. 3 zeigt
vier Abschnitte, die mit A, B, C bzw. D markiert sind.
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Der mit A bezeichnete Abschnitt stellt
den Start des Aufladeprozesses dar. Hier wird die zugeführte Spannung
so gesteuert, dass der der Batterie zugeführte Ladestrom relativ gering
ist.
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Der Abschnitt B bezeichnet die eigentliche Auflade-Zeitspanne,
in der der Ladestrom in in der Batterie gespeicherte Energie umgewandelt
wird. Hier wird die zugeführte
Spannung derart gesteuert, dass der Ladestrom I im Wesentlichen
bei demselben Maximalwert Aufrechterhaltung wird, der aufgrund des
beteiligten Batterietyps ermittelt worden ist, und die Spannung über die
Batterie steigt nur langsam an.
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In dem Abschnitt C nähert sich
die Batterie nun ihrem Volllade-Zustand, und, um den maximalen Ladestrom
aufrechtzuerhalten, beginnt die Spannung über die Batterie schneller
anzusteigen, bis die Spannung über
den Batterieanschlussklemmen den vorbestimmten maximalen Wert Vmax (der durch den beteiligten Batterientyp
vorgegeben ist) erreicht.
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In dem Abschnitt D wird die zugeführte Spannung
derart gesteuert, dass die über
die Batterieanschlussklemmen gemessene Spannung gleich der Maximalgrenze
Vmax ist. In den Abschnitten C und D ist
der Innenwiderstand der Batteriezelle erhöht, und für eine konstante Batteriespannung,
wie im Abschnitt D, wird der resultierende Ladestrom sinken. Infolge
der Tatsache, dass die Batteriespannung im Abschnitt D auf einem
konstanten Wert gehalten wird, ist der resultierende Temperaturanstieg
relativ gering, wodurch der von der Aufladespannung auf die Batteriezellen
ausgeübte
zerstörerische
Effekt bei einem Minimum gehalten wird.
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Nicht später als zum Zeitpunkt Tmax, wenn Vmax erreicht
ist, wird die verbleibende Auflade-Zeitspanne ermittelt. Wenn eine
solche verbleibende Auflade-Zeitspanne, die bei Tmax beginnt,
abgelaufen ist, wird der Aufladeprozess beendet.
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Der der Batterie zugeführte Ladestrom
wird mittels Pulsbreitenmodulation einer Konstantspannungsquelle
gesteuert.
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Die in 3 gezeigte
Spannungskurve V stellt einen Aufladeprozess einer NiCd-Batterie
dar, die nahezu entladen ist. 4 zeigt
sechs ähnliche Spannungskurven
V1–V6,
die unterschiedliche Aufladeverläufe
für dieselbe
Batterie mit unterschiedlichen Ausgangsladungen wiedergeben. Die
Kurve V1 gibt den Aufladeprozess der Batterie wieder, wenn sie annähernd vollständig aufgeladen
ist, und die Kurve V6 gibt den Aufladeprozess der Batterie wieder,
wenn sie fast vollständig entladen
ist. 4 zeigt die Auflade-Zeitspanne,
die notwendig ist, um zu erreichen, dass die maximale Spannung Vmax ansteigt, wenn der Anfangs-Ladezustand
der Batterie abnimmt. Es kann der 4 ebenfalls
entnommen werden, dass die "verbleibende
Aufladezeit", die
die Zeitspanne von dem Erreichen von Vmax bis
zu dem Zeitpunkt, da der Aufladeprozess beendet ist, darstellt, zunimmt,
wenn der Anfangs-Ladezustand der Batterie abnimmt.
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Information über ideale oder gewünschte Referenzspannungs-Kurven für den betrachteten Batterietyp
für eine
Mehrzahl von unterschiedlichen Anfangs-Ladezuständen der Batterie können in
einem elektronischen Speicher gespeichert sein. Indem der Verlauf
der gegenwärtigen
Spannungskurve ebenso wie der Anstieg der Kurve mit den gespeicherten
Referenzwerten verglichen wird, können die relevante Referenzspannungs-Kurve
und die die damit verbundene "verbleibende
Aufladezeit" ermittelt werden.
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Der Anstieg der Spannungskurve kann
laufend gemessen werden, beispielsweise alle 10 Sekunden während des
Aufladungsprozesses. Für
jede Messung wird ein Vergleich mit den gespeicherten Referenz-Anstiegen
angestellt, und ein neuer Vorschlag für eine "verbleibende Aufladezeit" wird ermittelt.
Wenn die gemessene Batteriespannung die gespeicherte Maximalspannung
Vmax erreicht, wird die Ermittlung der "verbleibenden Aufladezeit" weggelassen, und
der letzte ermittelte Wert für
die "verbleibende
Aufladezeit" wird
verwendet.
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Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
die auch Aufladekurven von den in den 3 und 4 gezeigten Typen zum Ergebnis
hat, weist das vorherige Speichern einer eingeschränkten Anzahl
von Referenzwerten für
den Anstieg der Spannungskurve auf. Bei jeder Messung wird der tatsächliche
Anstieg der Kurve mit den Referenzwerten verglichen, und nur, wenn
der Anstieg einen der Referenzwerte durchläuft, wird ein neuer Wert für die "verbleibende Aufladezeit" ermittelt.
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Zu den in den 3 und 4 gezeigten
Kurven korrespondierende Kurven werden auch für andere Batterietypen erlangt.
Diese Kurven könnten
eine abweichende Erscheinung aufweisen, und für einige von ihnen wird die
Korrelation zwischen der Zeit zum Erreichen der Spannung Vm
ax und der optimalen
verbleibenden Aufladezeit nicht notwendigerweise mit dem Anstieg
der betrachteten Spannungskurve in Verbindung stehen, jedoch mit
anderen Parametern der Kurve, wie beispielsweise der absoluten Spannung
zum betreffenden Zeitpunkt. Umso mehr Parameter gemessen und gespeichert
werden, desto ausgeklügeltere
Ermittlungen können
durchgeführt
werden, um die optimale verbleibende Aufladezeit zu ermitteln.
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Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens,
das in Aufladekurven von den in den 3 und 4 gezeigten Typen resultiert,
weist das Messen der Batteriespannung zu einem fixen Zeitpunkt zusammen
mit dem Messen des Anstiegs der Spannungskurve auf, wenn die Maximalspannung
Vmax erreicht ist. Bei dieser Ausführungsform
kann die Spannung zusammen mit dem Anstieg der Spannungskurve in
ein ausgeklügelteres Ermittlungssystem
für die
optimale verbleibende Aufladezeit integriert werden.
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Die in den 3 und 4 gezeigten
Spannungskurven sind mittels Messens der Spannung zwischen den Batterieanschlussklemmen,
als die Batterie aufgeladen wurde, aufgezeichnet worden. Eine alternative
Möglichkeit
besteht jedoch darin, jedes Mal, wenn eine Spannungsmessung durchgeführt wird,
den Ladestrom kurz abzuschalten. Auf diese Weise wird eine ziemlich ähnliche
Kurve erreicht, jedoch werden die absoluten Spannungswerte leicht kleiner
sein, weil die Kurve nicht den Spannungsabfall beinhaltet, der infolge
der Aufladespannung über den
Innenwiderstand der Batterie hineingebracht wird. Da dieser Innenwiderstand
typischerweise am Ende der Aufladesequenz zunimmt, wird eine Spannungsmessung
ohne diesen Beitrag eine genauere Messung des Zustandes der Batterie.
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Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen
findet die Messung des Anstiegs der Kurve in der folgenden Weise
statt. Bei jedem Messzeitpunkt, d. h. beispielsweise alle 10 Sekunden,
wird die Spannung der Batterie gemessen, und ein elektronischer Prozessor
kann diesen Spannungswert in einem Speicherschaltkreis speichern.
Der Prozessor berechnet dann die Differenz zwischen diesem gerade gemessenen
Wert und beispielsweise dem Wert, der 90 Sekunden vorher gemessen
worden ist, und diese Differenz wird als ein Maß für den Anstieg der Kurve zu
dem fraglichen Zeitpunkt verwendet. Auf diese Weise wird alle 10
Sekunden ein neuer Wert des Anstiegs erlangt, der über eine
Zeitspanne von beispielsweise 90 Sekunden gemessen wird.
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Um zu verhindern, dass die Spannungsmessung
von Übergangsvorgängen und ähnlichem
beeinflusst wird, wird die Spannung zwischen jeweils zwei der Messzeitpunkte
vorzugsweise viel häufiger gemessen,
beispielsweise 100mal. Jede dieser Zwischenmessungen wird mittels
des Prozessors gespeichert, und zu den aktuellen Messzeitpunkten
berechnet der Prozessor einen Durchschnitt der 100 Zwischenmessungen,
die seit dem letzten Messzeitpunkt durchgeführt worden sind.
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Wenn der Aufladeprozess, wie oben
beschrieben, beendet worden ist, kann ein Aufrechterhaltung der
Batterieladung stattfinden, falls die Batterie in der Aufladevorrichtung
gelassen wird. Dies findet statt, indem in Abständen Strom-Impulse durch die
Batterie geschickt werden. Diese Strom-Impulse und die Zeit-zwischen
ihnen sind so eingerichtet, dass sie die Selbstentladung der Batterie
ausgleichen, die andernfalls stattfinden würde. Die Pulse können beispielsweise
eine Dauer von 15–30
Sekunden haben, und der Abstand zwischen ihnen kann einige Stunden
betragen.
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5 zeigt
ein Blockdiagramm einer Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Mittels
eines gewöhnlichen
Steckers 1 werden an die Vorrichtung 220 V angelegt, und die Spannung
wird im Gleichrichterblock 2 in eine 9 V-Gleichspannung umgewandelt.
Mit 3 ist ein Stromregler bezeichnet, der der aufzuladenden Batterie über die
Anschlussklemmen 4, 5 Strom zuführt.
Der Strom von der Batterie fließt über die Klemme
5 und den Widerstand 6 über
die Erdung zurück
zum Gleichrichterschaltkreis 2. Der Stromregler 3 wird über eine
Steuerstufe 8 von einem Prozessor 7 angesteuert. Der Prozessor 7
ist in der Lage, Strom und Spannung mittels eines Analog/Digital-Wandlers
9 zu messen. Der Ladestrom wird gemessen, indem der Spannungsabfall über dem
Widerstand 6 gemessen wird, während
die Spannung der Batterie als eine Differenz zwischen den an den
Anschlussklemmen 4 bzw. 5 gemessenen Spannungen ermittelt wird.
Der Prozessor 7 ist außerdem
mit einem Speicherschaltkreis 10 gekoppelt, der zum Speichern von
gemessenem Strom- und Spannungswerten ebenso wie von den berechneten
Stopp-Zeitpunkten verwendet wird. Ein Reglerschaltkreis 11 erzeugt
aus der Spannung von 9 V aus dem Gleichrichterschaltkreis 2 eine
Gleichspannung von 5 V. Die Spannung von 5 V wird zum Einspeisen in
die Schaltkreise 7, 9 und 10 verwendet. Der Stromregler 3 wird mittels
Pulsbreitenmodulation angesteuert, und der Prozessor 7 regelt die
Pulsbreite auf eine derartige Weise, dass die gewünschte Aufladespannung
konstant durch die Batterie fließt. Der Prozessor misst dies,
wie erwähnt,
indem der Spannungsabfall über
dem Widerstand 6 gemessen wird. Falls erwünscht, kann der Prozessor die
Spannungsmessung über
der Batterie in den Intervallen zwischen den Strom-Impulsen ausführen. Die
Spannungsmessung wird auf diese Weise nicht von dem Spannungsabfall
beeinflusst, den der Ladestrom über
dem Batterie-Innenwiderstand verursacht.
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6 zeigt
ein Schaltkreisdiagramm einer Ausführungsform der Vorrichtung
aus 5. Die Blöcke aus 5 sind in gestrichelten
Linien gezeigt und mit denselben Bezugszeichen wie in 5 versehen. Der Gleichrichterblock
2 weist ebenso einen Transformator T1 wie eine aus den vier Dioden
D1, D2, D3 und D4 bestehende Gleichrichter-Zusammenschaltung auf.
Die Ausgangsspannung von dieser ist eine Gleichspannung von 9 V,
die teilweise durch den Stromregler 3 und teilweise durch den Reglerschaltkreis
11 geleitet wird. Der Stromregler 3 besteht aus einem Transistor
Q4 und wird vom Prozessor IC1 mittels der Steuerstufe 8 gesteuert.
Die Steuerstufe 8 besteht aus den die Widerständen R5, R6, R7 und R8 als
auch aus dem Transistor Q3. Wenn die Ausgangsanschlussklemme P1.1
des Prozessors ein High-Ausgabesignal aufweist, wird der Transistor
Q3 über
den aus R7 und R8 bestehenden Spannungsteiler in einem leitenden
Zustand sein. Der Strom wird dabei durch den Spannungsteiler R5 und
R6 fließen,
wobei Q4 veranlasst wird, einen leitenden Zustand anzunehmen, wodurch
der Batterie Strom zugeführt
wird. Ist die Aussteuerung an der Ausgangsanschlussklemme P1.1 des
Prozessors Low, werden sowohl der Transistor Q3 als auch der Transistor
Q4 in einem nicht leitenden Zustand sein, und der Batterie wird
kein Ladestrom zugeführt.
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Der Analog-/Digital-Wandler 9 besteht
aus dem integrierten Schaltkreis IC2 als auch aus den Widerständen R2
und R3 sowie den Glättungskondensatoren
C4, C7. Die gemessenen Spannungen, die die Batteriespannung bzw.
den Ladestrom kennzeichnen, werden im integrierten Schaltkreis IC2
in digitale Information umgewandelt, und diese digitale Information
wird ferner zu den Anschlussklemmen P1.2 und P1.3 des Prozessors
weitergeleitet.
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Bei dieser Ausführungsform weist der Prozessorschaltkreis
IC1 sowohl den Prozessor 7 als auch den Speicherschaltkreis 10 auf.
Ferner sind die Kondensatoren C1, C2 und C3 sowie ein Quarz (crystal)
X1 mit dem Prozessor gekoppelt. Ansonsten ist der Betriebsmodus
dieses Prozessorschaltkreises grundsätzlich bekannt.
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Der Reglerschaltkreis 11 besteht
aus einem integrierten Spannungsregler IC3 sowie den Kondensatoren
C5 und C6. Dieser Schaltkreis bringt eine Gleichspannung von 5 V
auf, die verwendet wird, um die Schaltkreise IC1 und IC2 mit Spannung
zu versorgen.
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Der beschriebene Schaltkreis ist
nützlich, unabhängig davon,
ob entschieden wird, die Spannung während der Aufladung der Batterie
mit einem konstanten Strom zu messen oder die Spannung während der
Aufladung der Batterie mit einer konstanten Spannung zu messen,
ebenso wie Kombinationen dieser beiden Vorgehensweisen angewendet werden
können.
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Selbstverständlich können Details im Aufbau des
Schaltkreises innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, wie er
durch die Ansprüche
definiert ist, modifiziert werden. So können beispielsweise andere Prozessortypen
als der eine gezeigte verwendet werden. Es ist ebenso möglich, andere
Spannungen als die in den 5 und 6 gezeigten zu verwenden,
da dies beispielsweise von der Anzahl der Zellen der zu ladenden
Batterie abhängt.