NL9402071A - Werkwijze en inrichting voor het snelladen van accu's of batterijen. - Google Patents

Description

Werkwijze en inrichting voor het snelleden van accu's of batterijen.

De uitvinding heeft betrekking op het snelleden van accu's of bat¬terijen. In het bijzonder heeft de uitvinding betrekking op het met eenzo groot mogelijke laadstroom laden van batterijen of accu's welke geenbijzondere opbouw behoeven te bezitten met betrekking tot het laden metgrote laadstromen. Meer in het bijzonder heeft de uitvinding betrekkingop het gedurende het laden met grote laadstroom bepalen van de beladings-graad van de accu's of batterijen, om aan de hand daarvan het snelladente beëindigen om bijvoorbeeld over te gaan op zogenaamd druppelladen. Metde term accu of batterij wordt hier bedoeld elk type element dat in staatis, op elektrochemische wijze elektrische lading op te slaan, zoals bij¬voorbeeld NiCd-, NiMh-batterijen, maar ook de omvangrijke, in het trans¬port gebruikelijke accu's voor elektrotractie. In het hiernavolgendewordt de term accu gebruikt, maar het zal duidelijk zijn dat daarmee ookbatterij wordt bedoeld.

Bij het herladen van een accu bestaat het gevaar voor beschadigingten gevolge van bijvoorbeeld warmteontwikkeling of drukopbouw binnenin deaccu. Dergelijke gevaren nemen toe naarmate de laadstroom hoger is. Bij¬zonder schadelijk kan het met een hoge laadstroom voortzetten van hetladen van een inmiddels geheel of vrijwel geheel geladen accu schadelijkzijn. Enerzijds heeft men dit trachten op te lossen met speciale accu'swelke minder kwetsbaar zijn voor het met een hoge laadstroom overladen,daarentegen echter bijzonder kostbaar zijn. Anderzijds worden voor demeer gebruikelijke, goedkopere accu's lagere toelaatbare laadstromenvoorgeschreven, waardoor de laadtijd echter tot niet minder dan bijvoor¬beeld een uur kan worden beperkt. Inmiddels zijn verschillende laadalgo-ritmen ontwikkeld, om bij zo hoog mogelijke laadstroom, dat wil zeggen zokort mogelijke laadduur, een eventuele kans op beschadiging van de accuzo veel mogelijk te beperken. Het artikel "Fast-charge batteries, teamwith control circuits to serve portable equipment", EDN, 7 december 1989,pagina 180-186 geeft in dit verband een overzicht. In de praktijk wordtvoornamelijk de zogenaamde -Δϋ-methode gebruikt. Daartoe wordt tijdenshet laden het spanningsverloop van de accu gevolgd. Naar mate het ladenvoortschrijdt, zal de spanning geleidelijk toenemen, om maximaal te zijnwanneer de accu volledig is geladen, waarna bij voortzetting van hetladen de spanning daalt. In DE-A-3334651 wordt een werkwijze en een in¬richting beschreven waarmee het moment van beëindigen van het snelladenmet een hoge laadstroom aan de hand van het spanningsverloop wordt be- paald, door op verschillende achtereenvolgende tijdstippen de laadstroomkortstondig te onderbreken, zogenaamd pulsladen, om op dat moment deaccuspanning te meten, om vervolgens die beide meetgegevens te vergelij¬ken en de hoge laadstroom af te schakelen zodra of de laatst gemetenaccuspanning lager is dan de eerst gemeten, of het verschil tussen debeide gemeten accuspanningen ligt onder een voorafbepaalde spanningsver¬schil ldrempel . Ook de Europese octrooiaanvrage 0522691 beschrijft een opde -AU-methode gebaseerde procedure, en geeft in de beschrijvingsinlei-ding (in het bijzonder in kolom 1 t/m 4) een nadere toelichting op deproblematiek waarmee rekening is te houden bij het laden van elektroche¬mische accu's.

Aldus bestaat reeds lang de wens, een betrouwbare wijze voor hetladen van een accu, om in een zo kort mogelijke tijd de accu volledig teladen onder het behouden van een zo groot mogelijke levensduur, dat wilzeggen het aantal malen dat de accu praktisch is te herladen, onder uit¬sluiting van het gevaar voor beschadiging van de accu ten gevolge vanoverladen. Echter is men tot nu toe onvoldoende in staat gebleken, aan dehiervoor bedoelde wens te voldoen.

De onderhavige uitvinding stelt een werkwijze en een inrichtingvoor, waarmee in vergelijking met de stand van de techniek aanzienlijkbeter kan worden tegemoet gekomen aan de wens tot het in zo kort mogelij¬ke tijd, dus met zo hoog mogelijke laadstroom, laden van enig type accu,in het bijzonder van het standaardtype, met inachtname van de gebruike¬lijke levensduur en onder uitsluiting van de kans op beschadiging.

Overeenkomstig de hierbij gevoegde conclusie 1 stelt de uitvindingdaartoe voor, met de zogenaamde schuivende segmentmethode aan de hand vanhet verloop van de accuspanning het moment te bepalen waarop de accuvolledig of in hoofdzaak volledig geladen is, om op dat moment de aange¬legde relatief hoge constante of gepulseerde laadstroom weg te nemen enbijvoorbeeld over te gaan op druppelladen of het bij een aanzienlijklagere laadstroom voortzetten van het laden.

Verrassenderwijs is gebleken dat overeenkomstig de onderhavigeuitvinding bijzonder nauwkeurig en betrouwbaar het moment is te bepalenwaarop de accu volledig geladen is. In het bijzonder de betrouwbaarheidvan de werkwijze overeenkomstig de uitvinding is hier van belang, aange¬zien een accu gemiddeld vele tientallen tot honderden of meer dan duizendmalen wordt herladen en dus voor elke accu even zo vaak de relatief hogelaadstroom op het juiste moment moet worden weggenomen. Door de nauwkeu¬righeid en de betrouwbaarheid is het nu mogelijk, de relatief hoge con- stante of gepulseerde laadstroom zo lang mogelijk aan te houden, zodathet daaropvolgend met een lagere laadstroom naladen voor het bereiken vande maximale beladingsgraad niet of slechts zeer kortstondig noodzakelijkis, waarmee nog een extra bekorting van de laadprocedure wordt bereikt.

Overeenkomstig de onderhavige uitvinding wordt een constante ofgepulseerde snellaadstroom welke tenminste 3C bedraagt, toegepast. Daar¬mee kan een accu van het zogenaamde penlite-type binnen ongeveer tien atwintig minuten worden geladen. Deze laadstroom kan ook worden gebruiktvoor accu's van het zogenaamde alkaline-type, zoals NiCd-batterijen,welke door de fabrikant slechts worden gegarandeerd bij aanzienlijk lage¬re laadstromen, waardoor de laadtijd tenminste twee a drie uur, gewoon¬lijk ongeveer veertien uur bedraagt.

De werkwijze overeenkomstig de onderhavige uitvinding is zowelgeschikt voor het laden met een pulserende laadstroom als met een con¬stante laadstroom. Het met een pulserende laadstroom laden is op zichbekend. In dat verband wordt de accuspanning gemeten op het moment datgeen laadstroompuls heerst. Verschillende onderzoekingen zijn uitgevoerdin een poging de levensduur van een accu te optimaliseren door het kiezenvan een geschikte wijze van het laden met een pulserende laadstroom. Indit verband wordt verwezen naar H. Min, B. Bang, Y. Kim en H. Kang "Agingof nickel electrode in fast charge Ni/Cd cell during cycling", Progressin Batteries & Battery Materials, Vol. 12 (1993), ITE/JEC Press Inc. enIBA Inc., biz. 88 t/m 93.

Echter is verrassenderwijs gebleken, dat bij het laden met een inhoofdzaak constante laadstroom de cyclische levensduur van de accu, datwil zeggen het aantal malen dat de accu redelijkerwijs is te laden, invergelijking met het met een pulserende laadstroom laden, (aanzienlijk)is vergroot. Vermoed wordt, dat dit is gelegen in de combinatie van eenconstante laadstroom en de specifieke wijze voor het bepalen van hetmoment van volledige belading van de accu door middel van de schuivendesegmentmethode overeenkomstig de uitvinding.

De Europese octrooiaanvrage 0522691 suggereert laden met constantelaadstroom, maar niet met bijzonder hoge laadstroom en geeft niet aan inhoeverre laden met de voorgestelde werkwijze leidt tot een significanteverkorting van de laadtijd met behoud van of verbetering van de cyclischelevensduur.

Voorts kan overeenkomstig de uitvinding in een voorkeursuitvoeringnaast het verloop van de accuspanning het temperatuurverloop van de accuworden gevolgd, bijvoorbeeld om beschadiging van de accu te voorkomen door omstandigheden welke niet met het verloop van de accuspanning zijnte traceren. Het in een afschakelcriterium gecombineerd gebruiken van hetverloop van de accuspanning en de accutemperatuur is op zich bekend uitbijvoorbeeld "Ultra-rapid NiCd charger", ELECTRONICS WORLD + WIRELESSWORLD, Juni 1990, bladzijde 532-534.

Voorts is op de gebruikelijke wijze, voorafgaande aan het ladenovereenkomstig de uitvinding, de accu te ontladen indien deze een restla-ding bezit welke groter is dan een voorafbepaalde toegelaten restlading.Daarmee kan het optreden van het zogenaamde geheugeneffect worden verhin¬derd. In de enige figuur is een schematische voorstelling gegeven van eenultrasnellader 1 voor het gelijktijdig laden van N cellen. Voor elke accu5 is een laad- en ontlaadcircuit 2,3,N gegeven. Deze circuits 2,3,N zijnaangesloten op de verschillende in- en uitgangen van een besturingseen¬heid 4. In elk circuit is opgenomen een diode 6, een weerstand 7, eentemperatuurvoeler 8, een A/D-convertor 9, een door de besturingseenheid 4bediende schakelaar 10 en een voeding 11 met constante laadstroom. Metgetrokken lijnen is weergegeven de stand van de schakelaar 10 bij hetontladen; met stippellijn is weergegeven de stand van de schakelaar 10tijdens het laden. De batterij 5 is op op zich bekende wijze gemakkelijkwegneembaar in het circuit 2,3,N opgenomen. Het zal voor de vakman duide¬lijk zijn, hoe de besturingseenheid 4 is te programmeren zodanig dat doormiddel van de A/D convertor 9 op achtereenvolgende tijdstippen de cel-spanning van de accu 5 kan worden gemeten, om het moment van afschakelenvan de hoge laadstroom te bepalen aan de hand van de volgende formule:

waarbij Vm de gemeten celspanning is voor een N-punts segment, enwaarbij afschakeling plaatsvindt zodra R onder een voorafbepaalde drem¬pelwaarde komt. De schakeling kan daarbij zodanig zijn uitgevoerd, dat nahet afschakelen van de hoge laadstroom de voeding 11 een aanzienlijklagere laadstroom blijft leveren van bijvoorbeeld 0,1 c, of overgaat opzogenaamd druppelladen.

In het hiernavolgende wordt de uitvinding nader toegelicht aan dehand van vier voorbeelden.

Voorbeeld 1.

Een nikkelcadmium accu, van het formaat AA met een capaciteit van600 mAh, en een gebruikelijke snellaadduur van 4 uur of meer, is geladen met een constante laadstroom gelijk aan 5C, overeenkomend met een laad-stroom van 3,0 A. De laadtijd bedroeg 12 minuten. De laadcapaciteit wasgelijk aan 600 mAh terwijl de ontlaadcapaciteit, bepaald bij ontladen met2C, overeenkomend met 1,2 λ, gelijk was aan 530 mAh. Dit levert eenlaadrendement, d.w.z. de verhouding van de ontlaadcapaciteit en de laad¬capaciteit, van 88%. Tijdens het laden wordt een maximum temperatuur van31°C bereikt, gemeten op de buitenwand van de nikkelcadmium accu. Hier¬door treedt de temperatuurbeveiliging, afgesteld op 40eC, niet in wer¬king.

Voorbeeld 2.

Een nikkelcadmium accu, van het formaat AA met een capaciteit van600 mAh, en een gebruikelijke snellaadduur van 4 uur of meer, is onder¬worpen aan een cyclische levensduurtest waarbij voor elke cyclus werdgeladen met 4C, overeenkomend met een constante laadstroom van 2,4 A, enontladen met 2C, overeenkomend met een ontlaadstroom van 1,2 A. Uit dezetest volgde dat na 466 cycli de ontlaadcapaciteit was gedaald van 602,3naar 594,7 mAh. Dit komt overeen met een afname van 1,3% van de capaci¬teit. De cyclische levensduur, gedefinieerd als het aantal cycli wanneerde ontlaadcapaciteit gelijk is aan 80% van de oorspronkelijke capaciteit,is daarmee beduidend hoger dan bij de gebruikelijke methode van laden meteen lage pulserende stroom van C/10 of minder.

Voorbeeld 3.

Een nikkelcadmium accu, van het formaat AA met een capaciteit van600 mAh, en een gebruikelijke snellaadduur van 4 uur of meer, is onder¬worpen aan een cyclische levensduurtest waarbij voor elke cyclus werdgeladen met 5C, overeenkomend met een constante laadstroom van 3,0A, enontladen met 2C, overeenkomend met een ontlaadstroom van 1,2A (tot eenontlaadspanning van 0,5V (100% Depth of Discharge)). Tijdens het ladenwerd de maximumtemperatuur, gemeten op de buitenwand van de accu, nooitgelijk aan de gestelde temperatuurbeveiliging van 40°C. Uit deze testvolgde dat na 1037 cycli de ontlaadcapaciteit was gedaald van 540 naar432 mAh. De cyclische levensduur is daarmee overeenkomstig het laden metC/10 of minder.

Voorbeeld 4.

Een nikkelcadmium accu, van het formaat AA met een capaciteit van600 mAh, en een gebruikelijke snellaadduur van 4 uur of meer, is onder¬worpen aan een cyclische levensduurtest waarbij voor elke cyclus werdgeladen met 4C, overeenkomend met een gepulseerde laadstroom van 2,4A(laadpuls 1,4 s afgewisseld met 0,068 s pauze zonder stroom), en ontladen met 2C, overeenkomend met een ontlaadstroom van 1,2A.

Uit deze test volgde dat na 399 cycli de ontlaadcapaciteit wasgedaald van 590 mAh naar 548 mAh. De procentuele daling (gemiddeld) percyclus is daarmee gelijk aan 0,02% hetgeen aanzienlijk hoger is dan deafname van de ontlaadcapaciteit van 0,003% per cyclus volgend uit voor¬beeld 2.

Bij de voorbeelden werd de spanningstoename R telkens berekend uitzeven achtereenvolgende accuspanningen welke met gelijke tijdafstandenzijn gemeten. Met de schuivende segmentmethode is de spanningtoename Rals volgt te berekenen: R = -3Vr2V2-V3+V5+2V6+3V7.

Wanneer R een waarde bereikte i. 0, werd het snelladen onmiddellijkbeëindigd en werden de laadtijd en het laadrendement bepaald.

Claims (8)

1. Werkwijze voor het laden van een accu of batterij, waarbij aande accu een relatief hoge laadstroom wordt toegevoerd en de accuspanningwordt gemeten voor het volgen van het verloop van de accuspanning gedu¬rende het laden, en het moment wordt bepaald waarop de accu geheel of inhoofdzaak geladen is, waarop het laden wordt beëindigd of tenminste delaadstroom aanzienlijk wordt verkleind, en waartoe voor het bepalen vanhet moment van beëindigen van het snelleden tijdens het laden, achtereen¬volgens op verschillende tijdstippen de accuspanning wordt gemeten, envan de in de tijd gezien N laatste metingen, waarbij N tenminste 3 be¬draagt, de gegevens worden gebruikt voor het berekenen van de toename ofafname van de accuspanning R in de tijd, met de volgende formule:

waarbij Vm de gemeten celspanning is voor een N-punts segment; totdat R onder een voorafbepaalde drempelwaarde komt, welke hetbedoelde moment bepaalt, waarbij de accuspanning ofwel gemeten wordt bijin hoofdzaak gelijkblijvende laadstroom ofwel bij kortstondig afgescha¬kelde laadstroom.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, waarbij voor R de voorafbepaaldedrempelwaarde ongeveer 0 of negatief is, bij voorkeur kleiner is dan 0,05V, in het bijzonder kleiner dan 0,01 V.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, waarbij N tenminste 5, bijvoorkeur tenminste 7 bedraagt.

4. Werkwijze volgens conclusie 1,2 of 3 waarbij de temperatuur aande buitenzijde van de accu of batterij wordt gemeten, en het snelladenwordt beëindigd wanneer die temperatuur ongeveer 35°C of meer, bijvoorkeur ongeveer 40°C of meer bedraagt.

5. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij tege¬lijkertijd verscheidene accu's worden geladen.

6. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij tenmin¬ste één of alle accu's voorafgaande aan het snelladen, bij voorkeur meteen constante ontlaadstroom, worden ontladen tot een bepaalde minimaleontlaadspanning.

7. Werkwijze volgens een der voorgaande conclusies, waarbij eensnellaadstroom van tenminste 3C, bij voorkeur 4C tot 8C wordt gebruikt.

8. Inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze overeenkomstigeen der voorgaande conclusies, voorzien van een tijdbepaalelement, eenaccuspanningmeetorgaan, een schakelinrichting voor het achtereenvolgensop afstand in de tijd bekrachtigen van het accuspanningsmeetorgaan, eengeheugen voor het vastleggen van tenminste de in de tijd gezien N laatsteaccuspanningmetingen, een met het geheugen verbonden rekeneenheid voorhet uit de laatste N gemeten accuspanningen bepalen van de waarde van R,waarbij N tenminste 3 bedraagt, en een schakelelement, verbonden met derekeneenheid, voor het bekrachtigen van het snellaadcircuit in afhanke¬lijkheid van de waarde van R.