NO167780B - Fremgangsmaate for gjenopplading av et gjenoppladbart batteri og en laderegulator. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for gjenopplading av et gjenoppladbart batteri under drift i et motorkjøretøy, en arbeidsmaskin, en motobåt eller lignende, hvor utgangsspenningen fra en ladegenerator som er forbundet med batteriet, blir benyttet som ladespenning, hvis amplitude varieres mellom en kompensasjonsladespenning som gir en kompensasjonslading av batteriet, og en høyere spenning for gjenopplading av batteriet ved styring av feltet hos generatoren.

Oppfinnelsen vedrører også en laderegulator for utførelse av fremgangsmåten.

En fremgangsmåte for gjenopplading av et gjenoppladbart batteri, av den type som er angitt ovenfor, er kjent fra GB-A-124993 som vedrører en spenningsregulatorkrets for spenningsregulering av utgangsspenningen fra en spen-ningsgenerator som innbefatter en feltvikling, og som er tilkoblet for lading av et lagerbatteri. Spenningsregula-torkretsen omfatter organer for avføling av batteriets temperatur, samt ytterligere organer som reagerer på temperaturfølerorganene for å variere ladespenningen avhengig av batteriets temperatur. Regulatoren arbeider med bare en utgangsspenning, hvis amplitude blir variert avhengig av batteritemperaturen, mens batteriets tilstand forøvrig ikke blir tatt hensyn til på noen måte for å bestemme den nødvendige ladespenning for en tilfredsstillende lading av batteriet.

US-A-4237411 omhandler en fremgangsmåte for vedlikehold av ladingen og kontinuerlig lading av lagerbatterier, spesielt NICD-lagerbatterier. Ladingen blir utført ved at batteriene ved forhåndsbestemte, hovedsakelig jevne tidsintervaller får tilført en strøm som varer i en også forhåndsbestemt, hovedsakelig jevn etterladingsperiode. Intensiteten av ladestrømmen blir bestemt ved den foreliggende lagerbatteri-temperatur, slik at den øker med økende temperatur, og avtar med avtagende batteritemperatur. En slik fremgangsmåte er beheftet med den ulempe at ladespenningen får anledning til å øke til verdier som vil ligge langt over den øvre grense for spennings-driftsområdet for det elektriske system for et kjøretøy. Et slikt forhold er ikke aksepterbart i forbindelse med lading av kjøretøybatterier på stedet, hvor lading må utføres slik at instrumenteringen i kjøretøyet ikke blir skadet ved økte spenninger. Den pulslading som er omtalt i US-A-4237411 er heller ikke innrettet for gjenopplading av et gjenoppladbart batteri til en tilfredsstillende grad ved anvendelse i forbindelse med motorkjøretøyer og lignende.

Også EP-A-0034003 vedrører en vedlikeholdslader for fortrinnsvis ICD-batterier. Ladingen blir utført ved hjelp av pulser av ladestrømmen, idet strømpulsladingen blir avsluttet når en parameter som har relasjon til spen-ningsendringen, oppviser en forhåndsbestemt egenskap. Teknikken ifølge denne lader kan ikke anvendes ved drypp-lading av kjøretøybatterier på stedet, og kan heller ikke gi et tilfredsstillende resultat i denne sammenheng.

US patentskrift 4 310 793 vedrører et elektrisk system for et motorkjøretøy, idet systemet er innrettet til å arbeide vekselvis i ladingsmodus og vedlikeholdsmodus for lading av batteriet i systemet. Under lagringsmodusen får batteriet motta ladingsstrøm fra en motordreven generator ved en temperaturkompensert spenning. Under vedlikeholdsmodusen er ladingsstrømmen redusert til en lav verdi som er tilstrekkelig til å forhindre selvutlading av batteriet. Ladings-respektive vedlikeholdsmodusene kobles inn vekselvis som en funksjon av batteriets ladingstilstand. Under ladingsmodus avføles en tilstrekkelig høy ladetilstand som funksjon av ladingsstrommens styrke, og under vedlikeholdsladingen avføles et redusert ladingshivå som en funksjon av batterispenningen. Periodevis tilbakevending til ladingsmodus fremskaffes ved hjelp av en tidtaker for derved å avføle batteriets ladingsnivåtilstand.

Videre er der på figur 1 vist et blokkdiagram for et konvensjonelt system for gjenopplading av gjenoppladbare batterier for motorkjøretøyer og lignende.

En generator 2 og en laderegulator 3 er innbyrdes elektrisk sammenkoblet til en negativ jord, f.eks. til bruk i et motorkjøretøy. Plus-polen 4 på batteriet 1 er forbundet med ladeutgangen 5 fra generatoren 2, og via en tenningsnøkkel-bryter 6 forbundet med en forbindelse for et ladelys 7, hvis annen forbindelse er koblet til reguleringsspennings-utgangen 8 fra generatoren 2. Denne er også forbundet med forsynings- og måleinngangen 9 til regulatoren 3. En ledning 10 forbinder regulatorutgangen 11 fra regulatoren 3 med feltviklingsinngangen 12 til generatoren 2.

Mår tenningsnøkkelbryteren 6 sluttes i forbindelse med at motoren settes i gang, blir regulatoren 3 matet fra batteriet 1, og kan på sin side forsyne feltviklingen til generatoren 2. Før ladingen begynner, blir strøm tatt fra batteriet 1 til regulatoren 2. Denne strøm passerer gjennom ladelampen 7 som da lyser opp. Når generatoren 2 gjenopplader batteriet 1, vil spenningen på utgangen 8 være lik batterispenningen. På dette tidspunkt vil der ikke gå noen strøm gjennom ladelyset 7, som følge-lig ikke vil lyse. Regulatoren 3 virker slik at ved detektering av spenning på utgangen 8, vil den styre generatorfeltet, slik at utgangsspenningen fra generatoren 2, dvs. dennes ladespenning, har en forhåndsbestemt verdi. Når inngangsspenningen til regulatoren synker under denne spenningsverdi, er batteriet full-stendig gjenoppladet. Ladingen vil opphøre når inngangsspenningen når denne verdi.

Gjenoppladingen av batteriet 1 vil ikke være tilfredsstillende dersom generatoren går med et lavt omdrei-nings tall, dersom forbindelsene mellom generatoren 2

og batteriet 1 er i en dårlig tilstand, eller dersom ladeevnen for batteriet 1 er redusert. Dersom ledere, forbindelser mellom lederne og polene av batteriet 1,

og batterihovedbryteren er i en dårlig tilstand, vil dette bevirke et spenningsfall på veien fra genera-

toren til batteriet. Ettersom regulatoren 3 detekterer spenningen ved generatoren, og ikke ved batteriet, innebærer dette at ladespenningen i et slikt tilfelle er meget lavere enn den ladespenning som er nødvendig for ladingen av batteriet 1. Den konvensjonelle regulator 3 styrer utgangsspenningen fra generatoren 2 uten hensyn til batteriets ladeevne. Det innebærer at den effekti-ve lading blir meget dårlig, også i forbindelse med et ekstremt utladet batteri;

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å gi an-visning på en fremgangsmåte og en spenningsregulator for gjenopplading av gjenoppladbare batterier, idet fremgangsmåten og regulatoren ikke er beheftet med de ovenfor omtalte ulemper, spesielt i det tilfelle hvor batteriet blir gjenoppladet på en rask og tilfredsstillende måte uten å skade de elektriske komponenter som er forbundet med batteriet.

Denne hensikt oppnår man ved den fremgangsmåte som er karakterisert i det vedføyde patentkrav 1, og ved laderegulatoren som er karakterisert i patentkrav 8.

Ved fremgangsmåten og laderegulatoren i henhold til den foreliggende oppfinnelse blir gjenopplading utført ved to spenningsnivåer ved styring av utgangsspenningen fra generatoren. Den økte ladespenning, den såkalte hurtig-ladespenning, vil befinne seg like under den øvre grense for driftsspenningsområdet for det elektriske system som får sin tilførsel fra batteriet. Det annet spennings-nivå er den normale ladespenning, den såkalte kompensasjonsladespenning som kan sammenlignes med den ladespenning som tilføres fra generatoren til batteriet i et konvensjonelt ladesystem. Med fremgangsmåten og regulatoren i henhold til den foreliggende oppfinnelse er det mulig å gjenopplade batteriet raskere og til en høyere grad sammenlignes med de konvensjonelle systemer. Dessuten vil det elektriske system som er tilkoblet batteriet og generatoren, ikke være utsatt for overspenning.

Ytterligere fordelaktige utførelsesformer for oppfinnelsen er definert i de øvrige vedføyde patentkrav.

Utførelsesformer for oppfinnelsen vil nå bli beskrevet under henvisning til de vedføyde tegningsfigurer. Figur 1 er et blokkskjema for et vanlig laderegulator-system. Figur 2 er et blokkskjema over laderegulatoren i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Figur 3 er et flytskjema som anskueliggjør hvordan laderegulatoren i henhold til oppfinnelsen fungerer. Figurene 4 - 6 er kurver som med heltrukne og stiplede linjer viser henholdsvis hvordan ladestrøm, ladespenning og ladeegenskaper varierer med tid, idet der benyttes henholdsvis en kjent ladespenningsregulator og laderegulatoren i henhold til den foreliggende oppfinnelse. Figur 7 er et blokkdiagram som viser den prinsipielle konstruksjon av en laderegulator i henhold til oppfinnelsen.

På figur 2, hvor der er brukt samme henvisningstall som på figur 1 der dette er mulig, betegner 13 spenningsregu-latoren ifølge den foreliggende oppfinnelse. Bortsett fra utgangen 11 som er lik den for regulatoren 3, har regulatoren 13 fire innganger 14, 15, 16 og 17. Inngangen 14 er koblet til generatorens regulatorspenningsutgang 8, og er tilpasset for å motta et startsignal fra generatoren 2, som viser at generatoren arbeider og genererer en ladespenning. Inngangen 15 er forbundet med generatorens ladeutgang 5, og til plus-polen på batteriet 1, og kan sammenlignes med inngangen 9 til regulatoren 3, som er en mate- og testsignalinngang. Inngangen 16 er direkte forbundet med plus-polen på batteriet 1, og utgjør der-med testsignalinngangen for batterispenningen og inngangen 17, som er koblet til plus-polen 4 på batteriet 1 via tenningsnøkkel-bryteren 6 og ladelyset 7, idet ladelyset 7 også kan betraktes som en startsignal-inngang hvis funksjon også kan sammenlignes med funksjonen for inngangen 9 til regulatoren 3.

Regulatoren 13 ifølge oppfinnelsen avviker fra den konvensjonelle regulator 3 i følgende henseender. Ved hjelp av ladelyset 7 eller en annen akkustisk eller optisk alarminnretning, oppnås der alarm når generatoren 2 ikke når sin arbeidsspenning på grunn av et for lavt turtall. Det varsles også dersom spenningsfallet mellom generatoren 2 og batteriet 1 er uakseptabelt høyt. Ladespenningen og således også ladestrømmen til batteriet 1 reguleres med hensyn til batteriets tilstand. Lading gjennomføres ved hjelp av gjentatte ladecykler som hver består av en ladeperiode og en testperiode med belastet batteri. Ladespenningen blir bestemt i avhengig-het av testresultatet. Et ekstremt utladet batteri kan ikke oppta maksimal lading i et ubegrenset tidsrom. I den forbindelse er det innlagt en tidsgrense med henblikk på å beskytte batteriet mot denne type overlad-ing.

Under henvisning til flyt-skjemaet på figur 3 vil der

nå bli nærmere forklart hvordan ladingen i henhold til oppfinnelsen finner sted. Trinn A betegner start-tilstanden. Tilførsel av strøm til regulatoren startes

via inngangen 15, og ladeprogrammet blir innstilt på null. Trinn B representerer en ladeperiode under hvilken en ladespenning, som fremskaffer en kompensasjonslading av batteriet, blir påtrykket batteriet i en bestemt tidsperiode (5 minutter). Dersom man benytter et 12V batteri, slik det forutsettes i det følgende, vil en typisk verdi for en kompensasjonsladespenning være 14V, idet den angitte tidsperiode er 5 minutter. For oppnåelse av dette, blir batterispenningen sammenlignet med en referansespenning, og regulatoren styrer generatorens feltstrøm, slik at nevnte spenninger blir like.

For kontroll av tilstanden hos ledningen mellom generatoren og batteriet, blir batterispenningen sammenlignet med en annen referansespenning (9V), som er betydelig lavere enn den førstnevnte referansespenning. Dersom batterispenningen er lavere enn den annen referansespenning, blir spenningsdetekteringen hos regulatoren 13 endret fra batteri-polen 4 til ladeutgangen 5 fra generatoren 2. Etter at den nevnte periode (5 minutter) er over, blir re-gulatorprogrammet omkoblet til trinn C.

Trinn C utgjør en målefase. Batterispenningen måles i et visst tidsrom (1 minutt), men slåes av dersom batterispenningen underskrider en bestemt spenning (13.2V) før denne tid er avsluttet. Under målingen er alle alarmer blokkert, samtidig som ladingen av batteriet er avbrutt ved utkobling av feltstrømmen hos generatoren 2. Man antar at batteriet blir belastet under målingen. Dette er automatisk tilfelle med biler hvor hovedlysene eller annet utstyr er slått på. Måling av batterispenningen finner sted ved sammenligning av denne med nevnte referansespenning. Dersom batterispenningen er lik eller mindre enn referansespenningen, vil programmet fortsette til trinn D. Dersom batterispenningen er høyere enn referansespenningen, vil programmet fortsette til trinn F. Ved trinn D blir batteriet ladet med en ladespenning (14.6V) i en viss tidsperiode (8 minutter), noe som innebærer rask lading av batteriet. Nevnte tidsperiode blir imidler-tid beregnet fra det øyeblikk hvor spenningen overskrider en viss verdi (14.4V), hvorved man oppnår en kort eller "rask" ladetidsperiode hvor man tar hensyn til batteriets kapasitet. Med andre ord utgjør trinn D en hur-tidladefase.

Under trinn E vil lading finne sted med en kompensasjons-spenning (14V) i en tidsperiode (2 minutter) som er kort-ere enn tidsperioden ifølge trinn D. Deretter blir ladeprogrammet koblet om til trinn C.

Dersom batterispenningen er høyere enn den første referansespenning, vil ladeprogrammet for regulatoren bli omkoblet til trinn F.

Trinn F innebærer en kompensasjonsladefase som finner sted i en forholdsvis lang tidsperiode (1-3 timer). Etter dette blir programmet koblet om til trinn B.

Det vil ses at den trinnrekkefølge som omfatter trinnene C, D og E innebærer hurtiglading av batteriet, mens den trinnrekkefølge som innbefatter trinnene C, F og B innebærer kompensasjonslading av batteriet.

Tinn G representerer de forskjellige testmålinger eller testsammenligninger som utføres i henhold til foreliggende oppfinnelse. Batterispenningen og generatorspenningen blir kontinuerlig sammenlignet med referansespenningen for å konstatere overspenning, underspenning eller uakseptable spenningsfall i ledningen mellom generator og batteri.

På figurene 4 og 5 er programtrinnene A, B, C, D og E på nytt anskueliggjort i form av kurver som viser henholdsvis ladestrøm og ladespenning. Graden av lading er vist på kurvene ifølge figur 6, hvor den heltrukne linje viser lading i henhold til den foreliggende oppfinnelse,

og den stiplede linje viser lading ifølge en konvensjo-nell måte. Det er innlysende at den heltrukne linje ifølge oppfinnelsen ligger langt over den stiplede linje som representerer teknikkens stilling.

En utførelsesform for regulatoren i henhold til oppfinnelsen vil i det følgende bli forklart nærmere under henvisning til blokkdiagrammet vist på figur 7. For enkelthets skyld vil kretsene bli forklart på et nok-

så generelt plan. I virkeligheten vil hele regulatoren fortrinnsvis være oppbygget i form av én integrert krets.

På figur 7 er der på nytt anskueliggjort batteriet 1, generatoren 2 og innenfor den stiplede ramme også regulatoren 3. Kretsen innbefatter en styreenhet 18, hvis inngang er forbundet med en komparator 19, en klokke 20 som omfatter en oscillator og en binær teller som er anordnet for å generere styrepulser for styring av alle tidsperiodene i styreenheten 18, samt en teller 21. Utgangene fra styreenheten 18 er forbundet med en referansespenningskilde 22 som er innrettet til å fremskaffe referansespenningene til generatoren 2, til klokken 20, til telleren 21 og til en last 23. Inngangene til komparatoren er forbundet med referansespenningskilden 22, generatoren 2 og batteriet 1. Utgangen fra komparatoren 19 er dessuten forbundet med en alarminnretning 24 som er innrettet til å avgi en optisk og/eller akkustisk alarm.

En temperatur-detektor 25 som er termisk forbundet med batteriet 1, er innrettet til å fremskaffe et signal som er relatert til batteritemperaturen, og for styring av referansespenningskilden 22 med dette signal, slik at alle referansespenninger og således også batteriladespenningen blir økt med avtagende batteritemperatur. Det motsatte finner sted med økende batteritemperatur.

Komparatoren 19 innbefatter en flerhet av sammenlignings-kretser for sammenligning av referansespenningene fra referansespenningskilden 22 med generator- og batterispen-ningene. Som et resultat av disse sammenligninger, blir styresignaler tilført styreenheten 18, og alarmsignaler blir tilført alarminnretningen 24. Dette gjøres for å

gi alarmer med forskjellige egenskaper for forskjellige feil, slik at disse lett kan identifiseres.

Styreenheten 18 er innrettet til å styre generatorspenningen, avhengig av utgangene fra komparatoren 19,

klokken 20 og telleren 21. dersom batteriet 1 ikke er ladet tilstrekkelig under målefasen, noe som ofte er tilfelle med dieselmotor-drevne motorbåter, blir lasten 23 automatisk koblet inn. Antallet av ladecykler hvor lading finner sted med en hurtig-ladespenning, blir talt av telleren 21, som er slik innrettet at den avgir et utkoblingssignal til styreenheten, når et forhåndsbestemt antall hurtigladingscykler (f.eks. 8) er gjennomført.

Claims (12)

1. Fremgangsmåte for gjenopplading av et gjenoppladbart batteri (1) under drift i et motorkjøretøy, en arbeidsmaskin, en motorbåt eller lignende, hvor utgangsspenningen fra en ladegenerator (2) som er forbundet med batteriet (1), blir benyttet som ladespenning, hvis amplitude varieres mellom en kompensasjonsladespenning, som gir en kompensasjonslading av batteriet, og en høyere spenning for gjenopplading av batteriet, ved styring av feltet hos generatoren (2), karakterisert ved at gjenoppladingen blir utført ved hjelp av repeterte ladecykler som hver omfatter en ladeperiode og en testperiode, under hvilke batteriet blir ladet i ladeperioden, og ladestrømmen fra generatoren (2) til batteriet (1) blir avbrutt i testperioden ved utkobling av feltstrømmen for generatoren, under hvilken testperiode verdien av batterispenningen ved batteriets batteripol blir samenlignet med en forhåndsbestemt spenning, at gjenoppladnigen, dersom sammenligningen viser at batterispenningen er lavere enn den forhåndsbestemte spenning eller faller under den forhåndsbestemte spenning under testperioden, finner sted ved en hurtigladespenning som ligger like under den øvre grense for det elektriske systems driftsspenningsområde under den første del av den følgende ladeperiode, og at gjenoppladingen - dersom sammenligningen viser at batterispenningen er høyere enn den forhåndsbestemte spenning - under den følgende ladeperiode finner sted ved kompensasjonsladespenningen, og at ladingen under den annen del av ladeperioden, umiddelbart før testperioden alltid finner sted ved kompensasjonsladespenningen.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at batterispenningen sammenlignes med en referansespenning som er betydelig lavere enn den normale batterispenning, og at - dersom batterispenningen er lavere enn referansespenningen - vil et alarmsignal bli avgitt og/eller bevirke en automatisk omkobling fra sammeligning av spenningen ved batteriet (1) til sammeligning av spenningen ved generatoren (2).

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at spenninsfallet i forbindelsen mellom batteriet (1) og generatoren (2) blir målt, og en alarm avgitt dersom spenningsfallet overstiger en forhåndsbestemt spenning relatert til et maksimalt akseptert spenningsfall.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at utgangsspenning fra generatoren ved batteriet (1) blir sammenlignet med referansespenningen, og at en alarm blir avgitt når generatorspenningen underskrider nevnte spenning.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at temperaturen på batteriet (1) blir detektert, og at alle referansespenninger blir økt proporsjonalt med en avtagende batteritemperatur, og blir redusert proporsjonalt med økende batteritemperatur.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at gjenopplading med en hurtigladespenning utføres i et forhåndsbestemt antall av ladecykler, og at gjenopplading finner deretter sted ved en kompensasjonsladespenning i en eller to timer.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at under lading av hurigladespenningen vil varigheten av den første del av ladeperioden bli talt i effektiv ladetid, det vil si periodens varighet telles bare fra det øyeblikk når ladespenningen overskrider en viss verdi.

8. Laderegulator for opplading av et gjenoppladbart batteri (1) under drift i et motorkjøretøy, en arbeidsmaskin, en motorbåt eller lignende, hvor utgangsspenningen fra en ladegenerator (2) som er forbundet med batteriet (1) blir benyttet som ladespenning, hvis amplitude varieres mellom én kompensasjonsladespenning, som gir en kompensasjonslading av batteriet, og en høyere spenning for gjenopplading av batteriet, ved styring av feltet hos generatoren (2), karakterisert ved at regulatoren (3) omfatter en styreenhet (18) som er innrettet til å definere ladecykler som omfatter ladeperioder og testperioder og til å koble ut, under testperiodene, feltstrømmen for generatoren (2) for å avbryte ladingen av batteriet (1), og at en referansespenningskilde (22) med en komparator (19) er innrettet til å sammenligne batterispenningen med en forhåndsbestemt spenningsverdi, og at styreenheten (18) under den følgende ladeperiode påtrykker ladespenning på batteriet (1), idet ladespenningen er så høy at der oppnås hurtiggjenopplading av batteriet (1), forutsatt at komparatoren (19) under testperioden har funnet at batterispenningen er lavere enn den forhåndsinnstilte spenning, eller har sunket under den forhåndsinnstilte spenning, og at ladespenningen til batteriet er stor nok for en kompensasjonslading av batteriet dersom batterispenningen er høyere enn den forhåndsinnstilte spenning.

9. Regulator som angitt i krav 8, karakterisert ved at reguatoren (3) omfatter en temperaturdetektor (25) som er anordnet på batteriet (1), og at referansespenningskilden (22) er anordnet for å øke verdien av referansespenningen proporsjonalt med en avtagende batteritemperatur og å minske dens verdi proporsjonalt med en økende temperatur, avhengig av utsignalet fra temperaturdetektoren (25).

10. Regulator som angitt i krav 8, karakterisert ved at laderegulatoren innbefatter en optisk og/eller akkustisk alarminnretning (24), og at en bryterinnretning er forbundet med batteriet (1) og generatoren (2), og at komparatoren (19) er innrettet for å sammenligne batterispenningen med en referansespenning, og at dersom spenningsfallet er større enn referansespenningen, vil alarminnretningen (24) bli påvirket til å avgi alarm og/eller automatisk påvirke bryterinnretningen slik at testpunktet for regulatoren (3) blir omkoblet fra batteriet (1) til generatoren (2).

11. Regulator som angitt i et av kravene 8 - 10, karakterisert ved at komparatoren (19) er innrettet til å sammenligne spenningsfallet med en spenning relatert til et maksimalt aksepterbart spenningsfall, og at regulatoren (3) er innrettet til å avgi en alarm dersom spenningsfallet er lik eller overskrider nevnte spenning, idet alarmen fremskaffes ved en alarminnretning.

12. Regulator som angitt i et av kravene 8-11, karakterisert ved at regulatoren (3) innbefatter en tellerinnretning (21) som er innrettet til å telle antallet av etter hverandre følgende ladeperioder hvor lading finner sted ved en ladespenning relatert til en hurtiglading, og for å styre laderegulatoren (3) for å tilføye kompensasjonsgjenoppladingsspenningen til batteriet (1 ) i en forholdsvis land tidsperiode når nevnte antall overskrider et forhåndsinnstilt antall av ladeperioder.