NO177410B - Fremgangsmåte for lading av et batteri - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for å regulere ladning av et batteri som har en kritisk spenning ved hvilken det blir dannet gass i batteriet, som har en hvilespenning ved åpen krets og som forbindes med en batterilader for å påtrykke en ladestrøm på batteriets inngangsledere.

Hittil er det kjent flere forskjellige typer av prinsipper for ladning av batterier med f.eks. NiCd-celler. Eksempler på slike er konstantstrøm-lading, konstantspennings-lading, trykk- og temperaturavhengig lading og pulslading. Den hovedsakelige fordel med konstantstrøm-lading er at laderen kan ha en temmelig enkel utførelse, mens ulempen er begrensning til et temperaturområde på 0-40°C og ganske lang ladetid ved lavere temperaturer, ettersom tillatt middelstrøm under kjølige forhold er betydelig lavere enn ved romtemperatur. Videre skjer ladingen helt ukontrollert uten noen som helst tilpasning til cellenes evne til å akseptere ladings-energien. Konstantspennings-ladingen er også ukontrollert, men ved denne metode utnyttes cellens egenskaper noe bedre, men også i dette tilfelle blir ladetiden lang, spesielt ved lave temperaturer. På grunn av vanskelighetene ved å anordne trykk- eller temperaturfølende elementer forekommer trykk- og temperaturavhengig lading bare i temmelig spesielle og sjel-dne sammenhenger. I dette tilfelle er nemlig de prak-tiske vanskeligheter på det nærmeste uoverkommelige. Ved i og for seg konvensjonell pulslading skjer ladingen i sykluser på f.eks. 1 Hz, idet oppladningsstrømmen er eksempelvis to ganger større enn utladningsstrømmen. Pulslading har vist seg mer effektiv enn mange andre ladeprinsipper, spesielt ved lave temperaturer. Ved konvensjonell pulslading skjer det bare en kompensasjon for dårlig regulering av batteriets ladestrøm. Den konvensjonelle pulslading innebærer imidlertid betyde-lige ladetider og forholdsvis dårlig regulering av de

forskjellige parametre.

Til grunn for den foreliggende oppfinnelse ligger den oppgave å tilveiebringe en ny fremgangsmåte for å regulere ladingen av et batteri med et antall celler, f.eks. NiCd-celler, som gir en full ladning av batteriet på betydelig kortere tid enn det som hittil har vært mulig ved både romtemperatur og særskilt ved lavere temperaturer, samt en anordning for gjennomføring av fremgangsmåten.

Denne oppgave løses ifølge foreliggende oppfinnelse ved den innledningsvis angitte fremgangsmåte, ved i denne å tillempe karakteristiske trekk ifølge et eller flere av fremgangsmåtekravene.

Hovedfordelen ved fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse ligger i muligheten av en full ladning av et batteri på betydelig kortere tid enn det som hittil har vært mulig, uten noen som helst risiko for uønsket trykkforhøyelse i de enkelte celler på grunn av gassdannelse. Selv om en lader ifølge foreliggende oppfinnelse kan synes forholdsvis komplisert, er utvil-somt kompleksiteten ved denne berettiget av de usedvan-lige fordeler som blir oppnådd med laderen, som gir på det nærmeste 50% kortere ladetider og mer enn kjente ladere, og dette uten noen som helst risiko for uønsket gassdannelse i cellene. I fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse blir det dessuten tatt hensyn til de enkelte cellers evne til å motta ladningsenergi, hvorved samtlige celler i et batteri får hovedsakelig samme ladenivå uansett om en eller flere av cellene er blitt fulladet før en eller flere av de øvrige celler.

Et utførelseseksempel på foreliggende oppfinnelse skal i det følgende beskrives nærmere, under henvisning til vedlagte tegninger.

Fig. 1A-1C viser svært skjematisk og ikke i skala et forløp i diagramform, for å anskuelig-gjøre en utførelsesform av fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse.

Fig. 2 viser et blokkskjerna over en anordning for utførelse av fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse. Fig. 3 viser et koblingsskjerna over et prototyp- sluttrinn for en batterilader. Fig. 4 viser et koblingsskjerna over en prototyp-CPU-enhet for en batterilader med et sluttrinn ifølge fig. 2. Fig. 5-8 viser diagrammer over ladning av batterier basert på fremgangsmåten ifølge oppfinnelse.

Det aktuelle utførelseseksempel av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen skal nå belyses under henvisning til fig. 1A-1C. Det skal i den forbindelse påpekes at de forløp som er vist på disse fig. 1A-1C på ingen måte er i skala eller eksakte, men tjener til å lette forståelsen av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. Dette vil bli mer åpenbart ved betraktning av fig. 1A-1C i lys av de eksempelvis angitte verdier på spenning, strøm og tid, som vil fremgå av den følgende tekst.

I den følgende beskrivelse betegner uttrykket "hvilespenning" den spenning som måles på et visst tidspunkt over et batteris tilkoblingsklemmer når det ikke flyter noen strøm til eller fra batteriet. Med uttrykket "klemmespenning" betegnes den spenning som måles på et visst tidspunkt over batteriets tilkoblingsklemmer når det flyter strøm til eller fra batteriet. Med EMK betegnes hvilespenningen etter en forholdsvis lang hvi-letid på mer enn 10 minutter. Dette betraktes også som en stabil tilstand for batteriet.

Etter innkobling av et batteri som skal lades og som omfatter f.eks. ti NiCd-celler, hver på 1,2 V og som er seriekoblet for å danne et batteri på 12 V til en batterilader av den type som skjematisk er vist på fig. 2, vil anordningen måle batteriets hvilespenning U3. Så snart batteriet påtrykkes en spenning for å drive en strøm på f.eks. 10 A gjennom batteriet for å lade dette, stiger klemmespenningen umiddelbart med verdien U2, for deretter å stige langsommere til verdien Ul. Spennings-stigningen U2 som også kan betegnes offset-spenning, skriver seg med største sannsynlighet hovedsakelig fra spenningsfall over tilledninger og batteriets indre motstand. Spenningen Ul kan derfor fastsettes på en spenningsverdi som skal være stort sett lik med en så-kalt kritisk spenning, som for en NiCd-celle er på 1,52 V eller 1,55 V ved romtemperatur. Ved eller over denne kritiske spenning foreligger det risiko for gassdannelse i cellen, og denne kritiske spenning bestemmes rent kjemisk. Verdien må imidlertid ikke betraktes som en absolutt verdi, ettersom den varierer noe med om-givelsestemperaturen og derfor med temperaturen i selve cellen.

Spenningsverdien Ul utgjør således den kritiske spenning, med tillegg av spenningsfallet U2 over tilledninger og batteriets indre motstand. I mange tilfeller viser det seg at spenningsfallet U2 er omkring 0,1 V, slik at Ul blir omkring 1,62 V til 1,65 V. Denne spenningsverdi eller denne klemmespenning Ul må ikke overskrides etter en spenningspåtrykning, hvilket belyses på fig. IA ved at spenningspåtrykningen avbrytes så snart spenningen oppnår nivået Ul. Etter spennings-avbruddet synker spenningen til en hvilespenning U6 som er noe høyere enn hvilespenningen U3 før tidsperioden ti. Spenningen for å drive ladestrøm er tilkoblet under maksimalt den viste tidsperiode t4 på f.eks. 1 s, mens avbruddet går opp til tidsperioden t2 på f.eks. 100 ms. Under en viss fastsatt tidsperiode ti skjer et antall ni inn- og utkoblinger av spenningen for å drive ladestrøm gjennom batteriet, og i begynnelsen av hver innkobling skjer det måling av hvilespenningen U6 og av spenningsfallet U2 for eventuell endring av spenningsverdien Ul. Dersom tidsperioden t4 på f.eks. 1 s er overskredet uten at spenningsnivået Ul er nådd, avbrytes allikevel spenningspåtrykningen.

Dersom den tillate spenningsverdi Ul blir nådd meget raskt, f.eks. flere ganger innen en brøkdel av 1 min., f.eks. på noen hundretalls ms, skjer det en om-gående reduksjon av ladestrømmen. Ladestrømmen senkes i nivåer på f.eks. 32 st. eller bit, hvilket beror på den digitale oppbygning av anordningen for gjennomføringen av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen.

Antall inn- og utkoblinger gjennom tidsperioden ti på 1 min. registreres i et register, og dersom et visst antall overskrides blir ladestrømmen senket, og dersom spenningsverdien Ul ikke blir nådd under et antall inn-og utkoblinger i tidsperioden ti, skjer det en økning av ladestrømmen. Jo mindre ladestrømmen er, desto flere utkoblinger på grunn av at spenningsnivået Ul blir nådd, aksepteres. Ved maksimal ladestrøm på 10 A aksepteres f.eks. 40 inn- og utkoblinger i tidsperioden ti, mens helt opp til 150 inn- og utkoblinger aksepteres når ladestrømmen er liten, f.eks. på én eller noen få ampe-re, mens antall inn- og utkoblinger med maksimal tidsperiode t4 eller utover denne er bare 30, uansett stør-relsen av ladestrømmen.

Etter hver tidsperiode ti skjer det i henhold til fig. 1C en utladning av batteriet med en utladningsstrøm 12 på f.eks. 0,150 A under en tidsperiode t3 på ca. 2 s, hvoretter hvilespenningen U3 igjen måles, og ladingen fortsetter i henhold til fig. IA.

Deretter fortsetter ladingen i henhold til fig. IB inntil hvilespenningen U3 viser tendens til å synke fra en maksimalverdi. Når U3 har passert sin maksimalverdi eller kneet på fig. IB, avbrytes det normale ladeforløp under en tidsperiode t5 på f.eks. 15 s, når hvilespenningen U7 måles. Etter en ytterligere tidsperiode på 5 til 10 min. måles hvilespenningen U4 som da er noe lavere enn hvilespenningen U7, og man beregner differansen U5 mellom hvilespenningen U7 etter tidsperioden t5 etter ladeavbruddet og hvilespenningen U4 etter tidsperioden t6. Spenningsnivået Ul reduseres med denne spennings-differanse U5, hvoretter ladingen fortsetter på samme måte som tidligere, inntil det opptrer et nytt kne i hvilespenningen, da forløpet blir gjentatt. Denne sist-nevnte lading betraktes som en etterladning for at så mange celler som mulig skal lades maksimalt uten at noen av de full-ladede celler tar skade. Etter at dif-feranse-spenningen U5 er blitt meget liten eller ganske enkelt 0, skjer det bare en vedlikeholdslading av batteriet, hvorunder spennings- og strømverdien tilpasser seg på korrekt måte etter hverandre. Denne vedlikeholdslading pågår så lenge batteriet er forbundet med laderen.

På fig. 5-8 vises eksempler på lading av forskjellige batterier, og det skal påpekes at ladingen påbegyn-nes i samtlige tilfeller med maksimal strøm på 32 bit tilsvarende 10 A. EMK-kurven skal ved begynnelsen av ladingen betraktes som hvilespenningen U3, idet den aktuelle EMK selv blir oppnådd først etter ladingen når batteriet har rukket å stabilisere seg etter f.eks. 10-60 min.

Denne fremgangsmåte kan realiseres med den på fig. 2 viste anordning, som styres ved hjelp av en mikro-prosessor 1 som kan innbefatte en CPU-enhet IC1/68HC11 og et antall ytterligere integrerte kretser, f.eks. IC3, som er en EPROM-krets for lagring av selve programmet for utførelse av den ovenfor beskrevne fremgangsmåte, og et eksempel på en slik er vist på fig. 4. Det skal imidlertid påpekes at enheten er en prototyp og inne-holder endel funksjoner som eventuelt kan utelates for en effektiv batteriladning. Mikroprosessoren 1 har et antall strøminnstillings-utganger som går til en digi-tal/analog-omformer 2: en utgang som bestemmer om lading skal skje, en utgang som bestemmer om utladning skal skje, og to måleinnganger for målt strøm gjennom batteriet og målt spenning over batteriet. Strømmen måles med en OP-forsterker 3 gjennom en motstand RI, mens spenningen måles ved hjelp av en OP-f orsterker 4. Fra omformeren 2 fremkommer et analogt signal som tilsvarer den ladestrøm som det er ønskelig å drive gjennom batteriet, og som går til batteriet via en OP-f orsterker 5, en OG-port 6 og en transistor Tl. OP-forsterkeren 5 får en strømtilbakekobling gjennom OP-forsterkeren 3. OG-porten 6 slipper gjennom et signal til transistoren Tl under forutsetning av at den har mottatt et signal fra OP-forsterkeren 5 og et signal fra OG-porten 7, som avgir et signal dersom det finnes et signal på ladings-utgangen fra mikroprosessoren 1, og et signal som tilsvarer at det ikke finnes noe signal på utladnings-utgangen via inverteren 8, hvis utgang er høy når utlad-ningsutgangen er lav. Når OG-porten 6 avgir et signal til transistoren Tl blir denne ledende, og leder en ladestrøm gjennom batteriet, motstanden RI og induk-sjonsspolen L til jord, og når transistoren Tl blir ikke-ledende går ladestrømmen gjennom batteriet, motstanden RI, indukssjonsspolen L og en diode Dl. Induk-sjonsspolen L utjevner ladestrømmen gjennom batteriet.

Utladning av batteriet, hvilket skjer etter hver tidsperiode ti på 1 min. beordres av mikroprosessoren 1, hvis utladningsutgang isåfall blir høy for reversert forspenning av dioden D2, slik at transistoren T2 blir ledende av utgangssignalet fra OP-forsterkeren gjennom en motstand R3. Når transistoren T2 blir ledende trek-kes det en utladningsstrøm gjennom batteriet via mot-standene RI og R2.

Til batteriets plusspol er det koblet en separat ladespenningskilde +24 V. Et slikt spenningsaggregat kan være av konvensjonell type, og skal kunne gi en ønsket strøm på 10 A, og dessuten mer når store batterier skal lades, ettersom det synes å ha betydning at ladestrømmen skal være stor ved innledningen av ladingen av et batteri. Ved lading av batterier på 0,5 Ah var ved forsøk med foreliggende oppfinnelse ladestrømmen innledningsvis 10 A, og minsket deretter forholdsvis raskt til en lav verdi, slik som det fremgår av de eksempelvis illustrerte ladninger på fig. 6-8. Begren-sninger i forsøksapparaturen gjorde at ladestrømmen i forsøket ifølge fig. 8 ble begrenset til 10 A.

På de skjemaer som fig. 3 og 4 viser er de punkter som er markert med samme henvisningsbetegnelse sammen-koblet med hverandre, og spenningsinngangene uten noen direkte spenningsangivelse er koblet til et særskilt nettaggregat for tilførsel av ladestrømmen. For en fagmann på området turde det ikke foreligge noe som helst problem med forståelsen av de to forskjellige skjemaer etter å ha tatt del i den foreliggende funk-sj onsbeskrivelse.

I denne beskrivelse og på fig. 1 forekommer det flere forskjellige betegnelser U3, U4, U6 og U7 på hvilespenningen, som er den over batteriets poler og på et visst tidspunkt målte spenning når det ikke flyter noen strøm til eller fra batteriet. Hvilespenningen U3 måles mellom de fastsatte tidsperiodene ti, og dette straks forut for spenningspåtrykning og dermed ved slut-ten av tidsperioden Ml, i hvilken tidsperiode utlad-ningen skjer. Hvilespenningen U7 måles etter tidsperioden t5 og 15 s, og hvilespenningen U4 måles etter tidsperioden t6 på 5-10 min. og substraheres fra hvilespenningen U7 for å frembringe spenningsdifferansen U5. Hvilespenningen U6 er den hvilespenning som måles i tidsperioden ti.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for å regulere ladning av et batteri som har en kritisk spenning ved hvilken det blir dannet gass i batteriet, som har en hvilespenning ved åpen krets og som forbindes med en batterilader for å påtrykke en ladestrøm på batteriets inngangsledere, karakterisert ved følgende trinn: (a) påtrykning av en ladestrøm fra batteriladeren gjennom batteriets inngangsledere under et første tidsintervall (t4) for å bevirke at en klemmespenning over batteriets inngangsledere øker, hvilken klemmespenning omfatter i det minste den seneste hvilespenning for batteriet pluss størrelsen av et spenningsfall over batteriets inngangsledere og en indre motstand for batteriet, som følge av lade-strømmen, (b) hvis klemmespenningen oppnår et forutinnstilt nivå i det vesentlige lik batteriets kritiske spenning, avsluttes ladestrømmen under et annet tidsintervall (t2) for å bevirke at spenningen over batteriets inngangledere faller til en ny hvilespenning, (c) hvis det første tidsintervall utløper uten at klemmespenningen oppnår det forutinnstilte nivå, avsluttes ladestrømmen for det annet tidsintervall (t2) for å bevirke at spenningen over batteriets inngangsledere faller til en ny hvilespenning, (d) gjentagelse av trinnene (a) til (c) under et tredje tidsintervall (ti) for et maksimum av et første forutbestemt antall (ni) gjentagelser, (e) avslutning av gjentagelsen av trinnene (a) til (c) under et fjerde tidsintervall (Ml), (f) måling av en ny hvilespenning over batteriets inngangsledere,

(9) gjentagelse av trinnene (a) til (f) så lenge den nye hvilespenning er høyere enn den sist foregående hvilespenning. j 2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved følgende ytterligere trinn: (h) etter et femte tidsintervall (t5) måles hvilespenningen over batteriets inngangsledere, (i) etter et følgende sjette tidsintervall (t6) måles hvilespenningen over batteriets inngangsledere, (j) ladestrømmen innstilles på et nivå som reduserer spenningsfallet over batteriets inngangsledere med en størrelse som er lik differansen (u5) mellom den hvilespenning som ble målt i trinn (h) og den hvilespenning som ble målt i trinn (i), og (k) gjentagelse av trinnene (a) til (i) inntil differansen mellom den hvilespenning som måles i trinn (h) og den hvilespenning som måles i trinn (i) er neglisjerbar.

3. Fremgangsmåte ifølge krav l, karakterisert ved at ladestrømnivået reduseres hvis klemmespenningen oppnår det nevnte forutinnstilte nivå et annet forutbestemt antall ganger under det tredje tidsintervall.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 3, karakterisert ved justering av det annet forutbestemte antall i et inverst forhold til ladestrømnivået.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved økning av ladestrøm-nivået hvis klemmespenningen ikke oppnår det nevnte forutinnstilte nivå i det minste et tredje forutbestemt antall ganger under det tredje tidsintervall.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved reduksjon av lade-strømnivået hvis klemmespenningen oppnår det nevnte forutinnstilte nivå et fjerde forutbestemt antall ganger under et tidsintervall som er vesentlig mindre enn det nevnte første tidsintervall.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at en utladnings-strøm under det fjerde tidsintervall påtrykkes batteriets inngangsledere under et syvende tidsintervall (t3) .