NO147972B - Fremgangsmaate til ladning av gasstette akkumulatorer - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte til ladning av gasstette akkumulatorer med en av celletemperaturen avhengig strøm til en på forhånd fastsatt ladegrensespenning.

Til ladning av akkumulatorer er det kjent mange forskjellige ladefremgangsmåter hvorved ladefremgangsmåten spesielt også er tilpasset akkumulatorens respektive byggemåte. Eksempelvis lades gasstette akkumulatorer med sinterelektroder vanligvis enten med konstant strøm (I-karakteristikk) eller med synkende strøm (W-karakteristikk) . Den konstante strøm ligger derved for det meste i området fra I^q til 10 I-^g- Når det gjelder ladning med synkende strøm, synker strømmen eksempelvis fra 1,5 I^g til 0,9 I-^g- (Med I^g menes da strømmen med hvilken den fulladede akkumulator ved normaltemperatur utlades iløpet av 10 timer. Når det gjelder en akkumulator med nominell kapasitet 15 Ah, utgjør således 1,5 A.)

Ladningens avslutning skjer likeledes i henhold

til de mest forskjellige fremgangsmåter ved hjelp av en eller flere parametere som avledes fra akkumulatoren. Eksempelvis foretas det til ladningens avslutning en styring via akkumu-latorspenningen, via akkumulatorspenningens stigning eller via særlige hjelpeelektroder i akkumulatoren, eller det for-bindes kapasitetstellere med akkumulatoren eller det fore-

tas en tidsmessig begrensning av ladningen under manuell overvåkning.

Mest utbredt er styring av ladningen via ladespenningen. Ladningen foregår da opp til en ladegrensespenning som fastsettes slik at det unngås utillatelig gassutvikling i akkumulatoren og derved trykkoppbygging og overheting.

Denne ladegrensespenning bør dessuten alltid ligge under den spenning ved hvilken det oppstår hydrogenutvikling i cellens indre. Denne spenningsgrense ligger vanligvis hos gass-

tette, alkaliske nikkel/kadmium-akkumulatorer med prismatisk utforming med sinterelektroder ved normal romtemperatur knapt under 1,6 V/celle.

En akkumulators ladeprosess er avhengig av reak-sjonshastigheten for de masser i elektrodene som skal om-dannes; strømmens styrke og cellenes driftstemperatur er av

utslagsgivende betydning for dette.

Ved romtemperatur omkring 20°C og kun litt høyere celletemperaturer kan det med ladestrømmer i området fra J,-til J^q ved anvendelse av ladefaktorer 1,2 til 1,4 oppnås gode laderesultater, dvs. nominell-kapasiteten tilveiebringes ved cellens påfølgende utladning. Ladetidene ligger herved mellom 7h (ved ladning med J^) og 14h (ved ladning med J-^g)

(ladefaktor 1,4).

Når man ved romtemperatur øker ladestrømmen merk-bart utover , oppnås den ovenfor beskrevne spenningsgrense på 1,6 V/celle undertiden allerede før ladningen av nominell-kapasiteten, og ladningen må derfor avbrytes for tidlig, dvs. det oppnås kun en delladning og under den påfølgende utladning leverer cellen tilsvarende mindre enn nominell-kapasiteten.

Ved temperaturer under 20°C stiger cellespenningen når det gjelder ladestrømmer i størrelsesorden J,- til J^g dessto fortere jo lavere temperaturen er. Spenningsgrensen

på 1,6 V/celle nås da ved -10°C, eksempelvis allerede når kun en delladning på ca. 80% er nådd. Omvendt overskrides ved ladning med de samme strømmer ved høye temperaturer, eksempelvis +40°C, heller ikke ved ubegrenset fortsatt ladning en spenning på ca. 1,4 5 volt. Av disse grunner avbrytes ved de nevnte ladestrømmer ved -10 oC ladningen ved en ladegrensespenning knapt under 1,6 V/celle og ved +40°C ved en ladegrensespenning på mindre enn 1,45 V/celle. Den rette linje som forløper gjennom disse to hjørnepunkter har en helning på -3,75 til -3,33 mV/grad, dvs. utkoplingsspenningen blir mindre ved stigende temperatur.

Fordi akumulatorenes ladningsspenningssteilhet mot ladningens slutt ved høye temperaturer fremtrer kun utydelig, er det for sikker utkopling nødvendig med forminsket utkoplingsspenning. Dette betyr imidlertid med sikker-het at ladningen ved høye temperaturer avsluttes tidligere.. Derfor er ladestrømmengden ved høyere temperaturer i omgiv-elsene alltid lavere enn ved normal temperatur.

Dertil kommer at ladevirkningsgraden, henholdsvis ladekapasiteten (forholdet av tilført ladningsmengde: elektro-kjemisk lagret ladningsmengde) ved ladning i det høyere temperaturområde ved ladestrømmer på Jr til forverres til-tagende, noe som bidrar til ytterligere en temperaturøkning av cellen og derved til lenger fremskutt utkopling av ladningen .

Generelt gjelder det at forminsket ladevirkningsgrad og dermed forbundet temperaturøkning betyr sløseri med elektrisk energi og at de dessuten nedsetter cellenes for-ventede levetid. Det er derfor alltid verd å trakte etter en optimal ladevirkningsgrad, liggende omtrent ved 0,9.

En forverring av ladevirkningsgraden under 0,9 inntrer alltid i ladningens sluttfase. Den ytrer seg i den ovennevnte økning av celletemperaturen. Svarende til dette utnyttes denne temperatureffekt også til ladekontroll, idet man tilordner cellene temperaturfølere som ved bestemte grensetemperaturer reduserer eller utkopler ladestrømmen.

Ved hjelp av ladestrømreduksjon kan ladningen riktignok fortsettes ytterligere, men, som erfaringen har lært, kun under forverring av ladevirkningsgraden og riktignok svekket, imidlertid fortsatt økning av celletemperaturen. Enn videre fører en på denne måte fortsatt ladning kun til en delut-nyttelse av cellekapasiteten.

Fra US-PS 2.715.710 er det kjent en ladekopling hvis strøm forandres i avhengighet av temperaturen. Der-

ved skal det tas hensyn til selvutladelsens temperaturav-hengighet. Særlig skal strømmen for opprettholdelse av ladningen ved en lav omgivelsestemperatur reduseres så langt at det ikke opptrer noen beskadigelse av batteriet. For temperaturkontroll er det anordnet en termistor med negativ temperaturkoeffisient, som befinner seg på batteriet, henholdsvis i umiddelbar nærhet av dette. Da det ved opprettholdelse av ladningen bare lades med forholdsvis lave strømmer, kan man ikke vente nevneverdig oppvarming av batteriet. Følge-lig vil det bare opptre ytterst små temperaturforskjeller mellom batteriet og omgivelsen. En styring av ladestrømmen i avhengighet av celletemperaturen er således ikke mulig uten videre.

Fra DE-As 2.437.872 er det kjent å utnytte forand-ringshastigheten for hatteritemperaturen til styring av lade-strømmen. Derved blir det differensiert et av batteritempe-raturen avhengig elektrisk signal, og ved oppnåelsen av en forutbestemt øvre verdi, blir ladestrømmen redusert. Sliké metoder tar ikke hensyn til cellens behov og fører i praksis bare til delladning.

Fra DE-OS 2.414.259 er det videre kjent en full-lading av batteriet ved forskjellige temperaturer. Hertil er det anordnet en strømbegrensningskobling som ved reduksjon av ladestrømmen skal forhindre en overtemperatur for batteriet. En funksjonell sammenheng mellom ladestrøm og celletemperatur foreligger ikke.

Den oppgave som ligger til grunn for oppfinnelsen er å utvikle en fremgangsmåte til påskyndet ladning, hvilken fremgangsmåte ved høy ladevirkningsgrad fører til en fullstendig ladning av akkumulatoren, og det i et romslig temperaturområde, særlig i et temperaturområde fra eksempelvis -10°C til +4 5°C.

Denne oppgave blir løst ved en fremgangsmåte som er kjennetegnet ved det som fremgår av kravene.

Den på forhånd fastsatte grenseladespenning, henholdsvis utkoplingsspenning er avhengig av den anvendte akkumulators byggemåte. Den ligger som vanlig i hvert tilfelle nedenfor den spenning ved hvilken det ville oppstå hydrogenutvikling, og fordelaktig i området av ca. 1,55 V. Selvføl-gelig er det også mulig, på i og for seg kjent måte, likeledes å kompensere grenseladespenningen, henholdsvis utkoplingsspenningen med økende temperatur med en negativ temperaturkoeffisient.

Således foregår ladningen.i henhold til oppfinnelsen slik at det ved normaltemperatur fastsettes en ladestrøm som er egnet til påskyndet ladning av akkumulatoren, dvs. en strøm som lader akkumulatoren i løpet av ca. 3 til 5 timer,

f. eks. med en strøm som eksempelvis ligger mellom 3,5 til 2 I-^q. Ladningens utkopling skjer via fastsettelsen av lade-grensespenningen. Ladestrømmen økes ifølge oppfinnelsen ved

økt celletemperatur og den minskes ved lav celletemperatur. Verdien som strømmen må økes med ved en bestemt økning av celletemperaturen fremkommer av akkumulatorens karakteristikkfelt og finnes ut empirisk for akkumulatortypen.

For å finne ut denne verdi opptegnes eksempelvis ladespenningsforløpene UT i avhengighet av lademengden ved forskjellige strømmer og konstant temperatur. Fig. 1 viser tilsvarende ladespenningen UT (V) i avhengighet av den inn-førte ladningsmengde C i Ah for en gasstett alkalisk akkumulator ved sinterplateelektroder av en nominell kapasitet på 15 Ah. Ved siden av kapasitetsverdiene er den hver gang opp-nådde prosentuelle nominelle kapasitet (NK) opptegnet. Denne akkumulator lades med forskjellige strømmer il til 14, eksempelvis 10 A, 3 A, 1,5 A, 0,75 A, ved konstant temperatur på

= -10°C.

Det viser seg at det ved en ladning opptil en utkoplingsspenning U på 1,55 V ved en høy strøm på il = 10 A kun innføres ca. 50 % av nominellkapasiteten, at det ved en strøm på i3 = 1,5 A innføres ca. 80 % av nominellkapasiteten (denne strøm tilsvarer den vanlige ladestrøm på I-^q) og at det ved en utover dette forminsket strøm på i4 = 0,75 A kan inn-føres 110 % av nominellkapasiteten.

Fig. 2 viser det samme karakteristikkfelt for ladning ved en konstant temperatur på 4 0°C. Det viser seg at utkoplingsspenningen med de vanlige strømmer heller ikke oppnås med langvarig ladning, mens det ved en økt strøm på il = 10 A og en utkoplingsspenning på 1,55 V nås 120 % av nominell-kapasiteten.

Hvis det tegnes opp lignende karakteristikker også for andre temperaturer og det hver gang måles den strømverdi som ved en utkoplingsspenning (U A). på 1,55 V/celle resulterer i en lademengde på ca. 110 til 120 % av nominellkapasiteten, kan ladestrømmens I (A) avhengighet av temperaturen ( ) an-skueliggjøres ut fra disse verdier, som fig. 3 viser. Denne avhengighet av ladestrømmen av temperaturen må så tas hensyn til i ladeapparatet. Når det gjelder en gasstett sinterplate-celle med en nominellkapa.sitet på 15 Ah, fremkommer en temperaturkoeffisient på omtrent +0,18 A/grad.

Når en akkumulator lades i henhold til denne fremgangsmåte, resulterer dette, som vist i fig. 4, ved en temperatur som stiger fra 0° til ca. 4 0°, i en nærmest kontinuerlig med temperaturen stigende strøm i = f (t), og i løpet av en tid som ligger ved ca. 3,5 timer oppnås det en kapasitet på ca. 120 % av nominellkapasiteten. Ladespenningen UT viser den ønskede steile stigning på slutten av ladningen.

I fig. 5 er de tilsvarende kurver vist når det gjelder et temperaturforløp hvor temperaturen på ca. 40°C synker til ca. -5°C, og så kontinuerlig stiger igjen. Også her oppnås det i løpet av en kort ladetid på ca. 3 timer en kapasitet på omtrent 120 % av den nominelle kapasitet.

Lignende kurveforløp og lignende ladningsmengder fremkommer også ved først stigende og så igjen synkende temperatur eller også ved stadig synkende temperatur av akkumulatoren under ladningen. Således er det mulig på tross av sterk forandring av omgivelsenes temperatur, henholdsvis celletemperaturen i løpet av kort tid å foreta en påskyndet ladning og derved å bringe akkumulatoren i en god ladningstil-stand. Dermed har det overraskende vist seg at forbedret ladning av akkumulatoren kan oppnås ved forhøyet temperatur ved hjelp av en økning av ladestrømmen og ved lav temperatur ved hjelp av en forminskning av ladestrømmen. Ved hjelp av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen oppnås det at akkumulatorens ladning kan fortsettes frem til en fast eller med økende temperatur meget lite synkende utkoplingsspenning. Dessuten muliggjøres optimal utnyttelse av cellekapasiteten

i hele temperaturområdet. Det unngås overskridelse av den

øvre ladningsspenningsgrense før fullstendig ladning av akkumulatoren. Dette fører til full utnyttelse av cellekapasiteten over hele temperaturområdet. Mot slutten av ladeprosessen inntrer det alltid en signifikant spenningsstigning, og det

står dermed alltid til disposisjon et entydig signal for ladningens avslutning. Det er mulig å arbeide med en fast ladegrensespenning, og det unngås derved for tidlig utkopling av

ladningen hos eldre celler som følge av for lav ladegrense-speninng. Når det gjelder fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, foretas ladningen frem til utkoplingsspenningen er nådd med en virkningsgrad som ligger over 90 %, slik at det ikke oppstår unødvendig oppvarming av cellene og slik at det oppnås skånsom batteridrift. Det kan gis avkall på å arbeide med ladefaktorer over 1,1. Likeledes blir derved varmeproduksjo-ne n i cellene forminsket og energi innspart.

Det er ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ikke absolutt påkrevd å arbeide med en kontinuerlig ladestrøm, men ladestrømmen kan også tilføres akkumulatoren i form av lade-strømpulser.

I det følgende ér blokkskjemaet for et ladeapparat til gjennomføring avvladefremgangsmåten ifølge oppfinnelsen skjematisk forklart ved;.hjelp„av; fig. 6.

Derved ligger det i batteriets 1 strømkrets en strøminnstillingsinnretning 2 og en øyeblikksstrømindikator 3 samt en bryter 4 som betjenes ved hjelp av en utkoplingsan-ordning 5. Strømmens øyeblikksverdi sammenlignes over regu-leringsanordningen 6 med en nominellverdireferanse 7. Denne nominellverdireferanse styres over en temperaturføler 8. Ut-koplingen foretas over øyeblikksspenningsindikatoren 9 og ut-koplingsanordningen 4, 5, idet imidlertid nominellspenningen i tilfelle kan påvirkes på i og for seg kjent måte ved hjelp av en nominellspenningsreferanseverdi 10.som styEes. av tefimpe-raturføleren 8.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte til ladning av gasstette akkumulatorer med en av celletemperaturen avhengig strøm til en forutbestemt ladegrensespenning, karakterisert ved at ladestrømmen ved en celletemperatur på -10°C minst svarer til en 20-timers ladestrøm og at ladestrømmen ved stigning, av celletemperaturen opptil 45°C stiger med en temperaturkoeffisient på ca. 0,18 A/K og ved reduksjon av celletemperaturen synker med den samme temperaturkoeffisient.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at ladegrensespenningens verdi er temperatur-uavhengig.