NO309890B1 - FremgangsmÕte og anordning for lading av et gjenoppladbart batteri - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for lading av et gjenoppladbart batteri, der en elektrisk energikilde er koblet til batteriet. En eller flere karakteristiske parametre for ladingsprosessen blir fortløpende målt og valgfritt beregnet under ladning, og disse sammenlignes med referanseverdier. Oppfinnelsen vedrører også en anordning for å gjennomføre fremgangsmåten.

Når et gjenoppladbart batteri lades, slik som eksempelvis et NiCd-batteri, blir en elektrisk spenning som er større enn batteriets terminalspenning tilført batteriets terminaler, hvorved en strøm vil gå gjennom batteriet. Denne strøm initierer en kjemisk prosess ved hjelp av hvilken en energi lagres i batteriet.

Når batteriet har nådd en fullt ladet tilstand stopper den kjemiske prosessen, og den tilførte energi vil i stedet bli omformet til varme. Ettersom batteriet er konstruert som en avtettet beholder, vil trykket i batteriet øke, hvilket bevirker kjemisk ødeleggelse. Dette betyr at batteriets kapasitet reduseres, og kapasiteten kan til sist være blitt redusert betydelig etter flere slike ladinger. For at batteriet skal kunne anvendes på best mulig måte er det derfor viktig delvis at batteriet vil bli ladet fullstendig, og delvis at ladingen avbrytes før utviklingen av varmen blir for stor. Problemet er således å avbryte lading så nøyaktig som mulig ved det riktige tidspunkt.

Ofte er ladingsperioden for et batteri ønskelig å ha så kort som mulig, hvilket har ført til bruken av større og større ladestrømmer, og ettersom dette akselererer varmegene-reringsprosessen i tillegg, er det ennu mer viktig å avbryte lading ved det riktige tidspunkt.

I en typisk ladingssekvens øker spenningen over batteriet jevnt når batteriet lades. Når batteriet når sin fulle ladetilstand, vil spenningen øke steilere til en topp som markerer den fulle ladetilstand. Spenningen faller så igjen på grunn av økningen i temperatur fordi temperaturkoeffisienten for spenningen er negativ. Tilsvarende faller ladestrømmen typisk til et minimum ved full ladning og øker så.

Den kjente teknikk innbefatter visse fremgangsmåter som forsøker å sikre optimal lading ved å avbryte lading ved det riktige tidspunkt. Imidlertid er de blitt funnet å mangle presisjon. Dersom lading avbrytes for sent, vil resultatet være varmegenerering og mekanisk ødeleggelse, slik som nevnt, og dersom lading avbrytes for tidlig, vil batteriet bli for lite ladet.

En av de kjente fremgangsmåter omfatter å måle batteriets temperatur og så avbryte lading når en økning i temperatur observeres. Imidlertid er det ofte for sent når økningen i temperatur er så stor at den kan måles, og det er videre vanskelig å måle temperatur tilstrekkelig nøyaktig, idet én grunn er de mulige variasjoner i omgivelsestemperatur. Dette vil eksempelvis være tilfelle dersom et batteri fra en biltelefon beveges om vinteren fra en kald bil til en lader som er tilstede ved romtemperatur.

En annen kjent fremgangsmåte omfatter å måle spenningen over batteriet og avbryte lading når spenningen far et bestemt nivå. Imidlertid varierer denne spenning ofte noe fra batteri til batteri, selv i tilfelle av batteri av samme type, og den er dessuten temperaturavhengig, slik at det er meget vanskelig å bestemme spenningen ved hvilken lading skal avbrytes.

Likeledes er det mulig å måle ladestrømmen, og de samme observasjoner gjelder også her.

Mange kjente ladere baserer seg på faste tidsperioder, slik at lading ganske enkelt avbrytes etter utløpet av denne tidsperiode. Dette er imidlertid en meget uhensiktsmessig fremgangsmåte, ettersom det ikke er kjent på forhånd hvorvidt batteriet er fullstendig eller delvis utladet, og den nødvendige ladetid avhenger i stor grad av dette. Dette kan løses ved å utlade batteriet fullstendig forut for lading, men i tillegg til bortkastet energi som her involveres, tar dette en viss tid, og det vil fortsatt være en stor grad av forskjell mellom den nødvendige ladetid fra batteri til batteri.

En mer avansert fremgangsmåte er å måle spenningsendringen (eller strømendringen) som en funksjon av tid, dvs. helningen av en kurve som viser spenningen som en funksjon av tid. Eksempelvis omhandler US patent nr. 4052656 en fremgangsmåte som finner punktet ved hvilket helningen er null, tilsvarende toppen der batteriet er fullstendig ladet. Imidlertid er det vanskelig å bestemme punktet nøyaktig, ettersom kurven kan være meget flat her, og en annen ulempe er at der kan være andre punkter på kurven der helningen er null, slik at lading avbrytes for tidlig.

I US patent nr. 4747854 detekteres tilsvarende når spenningskurven far en negativ helning som overskrider en referanseverdi. Observasjonen som nettopp er gjort gjelder også her. Imidlertid kan allerede ved dette tidspunkt batteriet være blitt overladet i en viss grad, hvilket kan skade batteriet.

I US patent nr. 4710694 er det omtalt en ladeprosess under hvilken batterispenningen leses og lagres av en mikroprosessor og endringstakten i spenningen i forhold til tid måles. Batteriet lades med en første ladestrøm inntil en forutbestemt batterispenning oppnås, ved hvilket tidspunkt ladestrømmen går over til en andre ladestrøm. Når den målte endringstakt for spenningen i forhold til tid er mindre enn en forutbestemt verdi, endres ladestrømmen til en tredje strøm. Samtidig med at ladestrømmen reduseres til den tredje ladestrømmen, startes en tidskrets, og den tredje ladestrømmen tilføres ved et forutbestemt tidssatt intervall, hvoretter ladeprosessen avsluttes.

Også fra US patent 4388582 er det kjent å måle endringstakten for spenningen eller helningen av spenningskurven. Dette gjøres for å bestemme infleksjonspunkter, der helningen av kurven endrer seg fra økning til minskning. Ladeprosessen kan avbrytes ved det tidspunkt der det andre infleksjonspunktet er identifisert, eller ladeprosessen kan fortsette fra det tidspunkt med en relativt lav ladetakt i en fast tidsperiode. Dette er mer pålitelig fremgangsmåte ettersom batteriet sjelden vil bli overladet. På den annen side kan stedet for angjeldende punkter ved hvilket tidspunkt gjenværende faste ladeperiode startes, variere i stor grad, og lading vil typisk bli avsluttet altfor tidlig, slik at batteriet kun vil være ladet til del av sin fulle kapasitet. Dessuten involverer det en risiko for feilmålinger dersom eksempelvis ladestrømmen eller spenningstilførselen endres under lading.

Det er også kjent å anvende en kombinasjon av noen av ovennevnte fremgangsmåter. Eksempelvis baserer US patent 4639655 seg på fire stoppkriterier, nemlig en spenningsgrense, en forutbestemt tidsgrense, en beregnet økning på spenningskurven, samt punktet der helningen av spenningskurven er null. Lading avbrytes dersom bare ett av disse kriterier tilfredsstilles. Den nevnte tidsgrense velges etter at lading har startet, idet en initiell spenningsmåling foretas og på basis av dette blir en kort eller lang ladetid valgt, eksempelvis 1 time eller 1,75 timer. Fordelen er at et visst hensyn kan tas til batteriets utladningstilstand fra begynnelsen samt antallet av celler i batteriet, men den er fortsatt en temmelig unøyaktig fremgangsmåte som involverer risiko for overlading av batteriet.

Imidlertid beskriver ingen av ovennevnte fremgangsmåter at en optimal, gjenværende ladetid kan bestemmes fra flere forslag oppnådd under ladingen av batteriet ved å sammenligne målte eller beregnede ladeparametre med referanseverdier.

Oppfinnelsen tilveiebringer en fremgangsmåte der lading av batteriet kan avsluttes ved det optimale tidspunkt hvor batteriet er blitt fullstendig ladet uten noen risiko for overlading og derved mekanisk ødeleggelse av batteriet.

Ifølge oppfinnelsen oppnås dette ved en fremgangsmåte for lading av et gjenoppladbart batteri, idet nevnte fremgangsmåte omfatter å koble en elektrisk energikilde til batteriet, å måle og valgfritt beregne en eller flere karakteristiske parametre for ladingsprosessen ved påfølgende tidspunkter under lading, å sammenligne disse parametre med referanseverdier, å velge ett av nevnte påfølgende tidspunkter, og å avslutte ladingsprosessen når en resterende ladetidsperiode som starter ved nevnte valgte tidspunkt har utløpt, idet nevnte fremgangsmåte kjennetegnes ved at den resterende ladetidsperioden og derved et mulig stopptidspunkt bestemmes ved hvert eller i det minste noen av nevnte måletidspunkter, basert på en sammenligning av den målte eller beregnede parameter eller parametre med referanseverdier, og at en optimal, resterende ladetid og derved et optimalt stopptidspunkt bestemmes fra et flertall av mulige stopptidspunkter som skyldes slike sammenligninger, idet hver sammenligning baseres på en korrelasjon mellom parameterverdier ved de påfølgende tidspunkter og deres avstander i tid fra deres respektive, mulige stopptidspunkt.

Karakteristiske parametre innbefatter eksempelvis spenningen over batteriet eller ladestrømmen. Erfaring viser at med hensyn til kurver som viser disse parametre som en funksjon av tid, er der en stor grad av korrelasjon mellom det øyeblikksmessige utseende av kurvene og avstanden til tidspunktet der det er optimalt å avslutte lading. Etter å ha målt det øyeblikksmessige utseendet av kurven, kan det således bestemmes relativt lett ved sammenligning med referanseverdiene hvor lenge batteriet fortsatt må lades.

Typisk vil lading bli avsluttet når det første av de genererte tidsstoppunkter opptrer. Imidlertid er også mer avanserte løsninger tenkelige, eksempelvis der mer betydning knyttes til det stopptidspunkt som sist beregnes. Således kan et stopptidspunkt valgfritt ignoreres dersom senere beregninger viser at det var feil.

Det er særlig hensiktsmessig å finne endringstakten i parametrene som en funksjon av tid, tilsvarende helningen av nevnte kurver, og dette kan foretas ved å lagre måleverdiene, slik at ved et gitt tidspunkt kan den faktiske verdi sammenlignes med en tidligere måleverdi, hvorved endringstakten kan beregnes.

I en særlig utførelsesform er der kun et begrenset antall av referanseverdier, og et nytt stopptidspunkt for ladingsprosessen bestemmes kun når parameteren eller parametrene som det gjelder inntar en av referanseverdiene. Dette resulterer i en enklere prosedyre som kan, ikke desto mindre normalt, bestemme det optimale stopptidspunkt tilstrekkelig nøyaktig.

Når parameteren som måles er spenningen over forbindelseterminalene for batteriet, oppnås en mer nøyaktig måling dersom ladestrømmen til batteriet avbrytes i en kort periode før spenningen måles. Grunnen er at batteriet har en innvendig seriemotstand, og ladestrømmen tilveiebringer et spenningsfall over denne motstand som ikke bør inkluderes i spenningsmålingen.

I særdeleshet i tilfellet av hurtig ladémodus ved anvendelse av høy ladestrøm, kan det være fordelaktig å redusere ladestrømmen gradvis når stopptidspunktet nærmer seg, fordi det vil da være lettere å finne det optimale stopptidspunkt. Således kan lading eksempelvis utføres med en konstant høy ladestrøm inntil én av de målte parametre har nådd et forutbestemt nivå, hvoretter strømmen kan reduseres gradvis.

En hensiktsmessig måte å oppnå den ønskede ladestrøm er å anvende en konstant-spennings-kilde som er pulsbreddemodulert på en måte som tilveiebringer den ønskede ladestrøm.

Det kan ofte være en fordel at prosedyren ved å bestemme det mulige stopptidspunkt for ladeprosessen ikke initieres før ladeprosessen nærmer seg sin avslutning. Således kan en enklere fremgangsmåte anvendes, slik som en enkel måling av strøm eller spenning, for å bestemme når den mer nøyaktige prosedyre skal iverksettes.

I en særlig utførelsesform blir nøyaktigheten av målingene forbedret ved at måleverdiene for de karakteristiske parametre for hvert av de nevnte tidspunkter er et gjennomsnitt av et flertall av mellomliggende målinger. Fordelen er at målingene vil være mindre følsomme for eksempelvis transienter. Selvfølgelig kan den samme virkning oppnås ved å integrere angjeldende parameter over perioden som har gått siden siste måling.

Det kan være en fordel å ta i bruk noen av stoppkriteriene som anvendes innenfor den kjente teknikk som en ytterligere sikkerhetsforanstaltning. Således kan eksempelvis en maksimal ladeperiode være fast. Lading vil så bli avbrutt senest ved dette tidspunkt, selv om de andre stoppkriterier ennu ikke har opptrådt. Det er også mulig å fastsette grenser for én eller flere av de målte parametre, slik at lading avsluttes dersom én av parametrene overskrider eller faller under bestemte verdier.

Etter avslutning av lading kan det være hensiktsmessig å opprettholde ladetilstanden for batteriet ved hjelp av en pulserende strøm. Dette sikrer at batteriet er kor stant fullstendig ladet selv om det ikke fjernes fra laderen før lenge etter ladingens avslutning.

Det kan likeledes være hensiktsmessig å tilføre en spenning til batteriet kort før den reelle lading initieres. Ved således å måle de karakteristiske parametre, kan det bestemmes hvorvidt et batteri av riktig type og uten feil er montert i laderen. Dersom dette ikke er tilfelle, vil ingen lading finne sted. Således unngår dette lading av feilaktige batterityper eller defekte batterier der eksempelvis en celle er snudd feil vei.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer også en anordning for å lade et gjenoppladbart batteri, idet nevnte anordning omfatter en elektrisk energikilde, en måleinnretning for å måle én eller flere karakteristiske parametre for ladeprosessen ved påfølgende tidspunkter under lading, en styreenhet for å beregne andre karakteristiske parametre, styre energikilden og bestemme ladeprosessen, og middel for å tilføre de målte verdier fra måleanordningen til styreenheten via en analog/digital omformer, idet styreenheten innbefatter en lagringskrets for å lagre målte parameterverdier, beregnede parameterverdier og referanseverdier, og der styreenheten er tilpasset til å styre ladeprosessen basert på de lagrede verdier, idet nevnte anordning kjennetegnes ved at styreenheten er tilpasset til å bestemme en resterende ladetidsperiode og dermed et mulig stopptidspunkt for ladeprosessen ved hvert eller i det minste noen av nevnte måletidspunkter basert på en sammenligning av den målte, karakteristiske parameter eller parametrene med referanseverdiene, og å bestemme en optimal resterende ladetid og derved et optimalt stopptidspunkt fra et flertall av mulige stopptidspunkter som skyldes slike sammenligninger, idet hver sammenligning er basert på en korrelasjon mellom parameterverdier ved de påfølgende tidspunkter og deres avstander i tid fra deres respektive mulige stopptidspunkt.

En særlig hensiktsmessig utførelsesform av anordningen er tilpasset til å sammenligne faktiske måleverdier for de karakteristiske parametre med tidligere måleverdier av samme parametre for hvert av nevnte tidspunkter for derved å bestemme endringstakten i parametrene som en funksjon av tid, svarende til helningen av kurven som viser den angjeldende parameter som en funksjon av tid. Nevnte stopptidspunkter bestemmes ved å sammenligne endringstakten med referanseverdiene.

Dersom anordningen måler spenningen over forbindelsesterminalene for batteriet, vil det være en fordel at anordningen kan avbryte ladestrømmen til batteriet i en kort periode før spenningen måles, idet det derved er mulig å se bort fra spenningsfallet som opptrer over den innvendige motstand i batteriet.

Anordningen kan med fordel konstrueres slik at ladestrømmen til batteriet kan styres av pulsbreddemodulering av en konstant spenning, idet pulsbredden styres av styreenheten i anordningen som reaksjon på de mottatte måleresultater.

Som en ytterligere sikkerhetsforanstaltning kan anordningen tilpasses avbrutt lading dersom andre eller mer enkle stoppkriterier opptrer. Lading kan eksempelvis avbrytes dersom en bestemt maksimum ladeperiode er overskredet, eller dersom en av de målte parametre overskrider eller faller under visse forutbestemte verdier.

I en hensiktsmessig utførelsesform er anordningen dessuten tilpasset til å opprettholde ladetilstanden for batteriet etter avslutningen av ladingen ved hjelp av en pulserende strøm. Det sikres derved at batteriet fortsatt er fullstendig ladet selv om det ikke fjernes fra anordningen før lenge etter selve ladingen.

En ytterligere utførelsesform er tilpasset til kort å tilføre en spenning til batteriet forut for begynnelsen av ladeprosessen og å måle de karakteristiske parametre. Ladeprosessen vil så bli iverksatt kun dersom disse målinger tilfredsstiller visse betingelser. Det sikres herved at lading ikke vil bli utført på feilaktige eller defekte batterier.

Operasjonen av en slik anordning kan eksempelvis styres av en mikroprosessor eller annen elektronisk styrekrets, som også kan omfatte et minne for lagring av referanse-parameterforløpene.

Oppfinnelsen vil nå bli ytterligere beskrevet med henvisning til de vedlagte tegninger der: Fig. 1 er en kurve som viser spenningen som en funksjon av tid for et NiCd batteri som lades med konstant strøm,

Fig. 2 viser et utsnitt av kurven fra fig. 1,

Fig. 3 viser kurvene for et regulert ladingsforløp for et NiCd batteri,

Fig. 4 viser batterispenningen for et NiCd batteri som en funksjon av tid for seks forskjellige starttilstander av lading,

Fig. 5 er et blokkskjema over en anordning ifølge oppfinnelsen, og

Fig. 6 viser et kretsskjema over en utførelsesform av anordningen fra fig. 5.

Fig. 1 viser en typisk ladingssekvens for et NiCd batteri. Kurven viser batterispenningen som en funksjon av tid med en konstant ladestrøm. Kurveformen vil være den samme for alle NiCd batterier, men de bestemte spennings- og tidsverdier kan variere, eksempelvis med den faktiske ladestrøm og fra batteri til batteri. Kurvene kan oppdeles i regioner som representerer forskjellige trinn i ladeprosessen. Figurene viser fire områder som er betegnet henholdsvis med A, B, C og D.

Området som er merket A danner starten av ladeprosessen. Når ladeprosessen initieres, kan spenningen variere noe avhengig av ladetilstanden for batteriet forut for iverksettelse av lading. Ettersom spenningen i dette området således er temmelig ubestemt, blir ingen egentlige målinger vanligvis utført i dette området.

Bokstaven B indikerer den faktiske ladeperioden der ladestrømmen omformes til lagret energi i batteriet ved den kjemiske prosess som er nevnt tidligere. I denne periode øker batterispenningen kun langsomt. I området C nærmer batteriet seg nå sin fulle ladetilstand, og spenningen begynner å øke hurtigere. Oksygen begynner å utvikles ved enden av perioden C, hvilket resulterer i en trykkøkning og derved en temperaturøkning i batteriet. Dette betyr at spenningen nå øker langsommere igjen på grunn av sin negative temperaturkoeffisient. Batterispenningen øker ikke ytterligere ved overgangen mellom områdene C og D, og den har således nådd sin høyeste verdi.

Dersom ladeprosessen fortsettes i området D, faller batterispenningen nå på grunn av at den elektriske energi generelt bare omformes til varme. Den resulterende økning i temperatur og trykk vil bevirke mekanisk ødeleggelse i batteriet, hvis kapasitet således reduseres. Ladeprosessen bør derfor bli avbrutt ved begynnelsen av eller i begynnelsen av perioden D.

Oppfinnelsen er basert på det faktum at det er blitt funnet ved prøver at, selv om kurven kan variere noe som følge av ladestrømmen som anvendes og angjeldende batteris historie, er der en nær korrelasjon mellom forskjellige ladeparameterverdier innenfor områdene A, B og C, slik som helningen av kurven ved et gitt øyeblikk i området C, og avstanden i tid fra det angjeldende øyeblikk til det optimale stopptidspunkt for ladeprosessen.

Dersom informasjonen om korrelasjon lagres i en elektronisk krets, der et eksempel på dette vil bli gitt nedenfor, er det således relativt enkelt å beregne eller bestemme hvor lenge lading bør fortsette på batteriet og derved det optimale stopptidspunkt for ladeprosessen, etter å ha målt helningen av kurven i et gitt øyeblikk. Dersom denne beregning utføres ved flere på hverandre følgende øyeblikk, vil et tilsvarende antall av forslag for det optimale stopptidspunkt således bli oppnådd. Fig. 2 viser et eksempel der tre målinger er utført. En resterende ladeperiode delta Tl beregnes ved tidspunktet Tl, en resterende ladeperiode delta T2 beregnes ved tidspunktet T2, og en resterende ladeperiode delta T3 beregnes ved tidspunktet T3. På figuren opptrer de tre beregnede stopptidspunktene ved nøyaktig det samme øyeblikk. I praksis vil imidlertid de beregnede stopptidspunkter vanligvis være noe forskjellige, med et konsekvent antall av forslag for stopptidspunkter. I utførelsesformen av oppfinnelsen som beskrevet her, er det bestemt å avbryte ladeprosessen når det første av de beregnede tidspunkter opptrer. Ettersom en mikroprosessor er innbefattet i den nedenfor beskrevne anordning, er således mer avanserte stoppkriterier også tenkelig. Således vil det være mulig eksempelvis å feste større betydning til stopptidspunktene som sist beregnet. Det er således mulig eksempelvis å ignorere visse av verdiene som beregnes først, dersom samtlige påfølgende beregninger samles rundt en bestemt verdi.

Som nevnt viser figurene 1 og 2 spenningen over batteriet som en funksjon av tid når en konstant ladestrøm anvendes. En tilsvarende typisk kurve vil bli resultatet dersom ladestrømmen plottes som en funksjon av tid med en konstant ladespenning, og reproduserbare kurver som viser ovennevnte trinn i ladeprosessen vil bli oppnådd endog om hverken ladestrøm eller ladespenning holdes konstant. Det vil forstås at disse kurver kan anvendes på en måte som er lik det som er beskrevet ovenfor.

Tilsvarende kurver med forskjellig utseende vil bli oppnådd for andre batterityper. For visse av disse vil korrelasjonen mellom det faktiske måletidspunkt og den optimale, resterende ladetid ikke nødvendigvis være knyttet til helningen av kurven ved angjeldende øyeblikk, men med andre parametre for kurven, slik som eksempelvis den absolutte spenning ved angjeldende øyeblikk.

En utførelsesform av oppfinnelsen omfatter måling av helningen av spenningskurven løpende, eksempelvis hvert tiende sekund. For hver måling blir en resterende ladeperiode og derved et nytt forslag for et stopptidspunkt beregnet. Prosessoren kan enten lagre denne verdi sammen med de andre, eller den kan innbefatte den i en mer avansert beregning av når ladeprosessen skal avsluttes.

En annen utførelsesform omfatter forlagring av et begrenset antall av referanseverdier for kurvens helning. I hver måling blir den faktiske helning av kurven sammenlignet med referanseverdiene, og kun når helningen passerer en av referanseverdiene vil prosessoren beregne et nytt sopptidspunkt. Beregningstidspunktet for prosessoren bevares på denne måte, og resultatet vil være fullstendig tilfredsstillende i mange situasjoner.

Som nevnt blir kurvene i fig. 1 og 2 forsynt med en konstant ladestrøm. Imidlertid er en alternativ mulighet å avbryte ladestrømmen kort hver gang en spenningsmåling utføres. En helst tilsvarende kurve oppnås på denne måte, men de absolutte spenningsverdier vil være noe lavere på grunn av at kurven ikke innbefatter spenningsfallet som er involvert ved ladestrømmen over den innvendige motstand i batteriet. Ettersom denne innvendige motstand typisk øker ved enden av ladesekvensen, vil en spenningsmåling uten dette bidrag være et mer nøyaktig mål for batteriets tilstand.

Som nevnt tidligere vil reproduserbare kurver bli oppnådd selv om ladestrømmen ikke holdes konstant under hele ladeprosedyren. Prinsippet for oppfinnelsen kan derfor meget godt kombineres med ladeprosedyren der lading initielt utføres med en konstant, høy strøm som så reduseres mot slutten av ladeprosedyren. Ved å anvende den lavere ladestrømmen under den siste delen av ladeprosessen, vil det være mulig å bestemme det optimale stopptidspunkt mer nøyaktig, uten.at den totale ladetiden reduseres merk-bart. Dette kan kombineres med utførelsen av kun en enkel spenningsmåling under den første del av ladeprosessen. Når spenningen har nådd den forutbestemte verdi, kan ladestrømmen reduseres, og målingen av kurvens helning kan iverksettes som beskrevet ovenfor. Selvfølgelig er det også mulig å redusere ladestrømmen ved en én spenningsverdi og iverksette målingen av kurvens helning ved en annen spenningsverdi.

Fig. 3 viser typisk ladekurver som er oppnådd i henhold til en utførelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ved lading av et NiCd batteri. Kurven V viser batterispenningen som en funksjon av tid, når spenningen som tilføres batteriet styres i henhold til oppfinnelsen for å oppnå en optimal ladestrømkurve C og en optimal batteritemperaturkurve T. Batterispenningskurven V kan oppdeles i områder som representerer forskjellige trinn av ladeprosessen tilsvarende fig. 1. Fig. 3 viser fire områder som er merket henholdsvis A, B, C og D.

Området som er merket A danner starten av ladeprosessen. Spenningen blir her styrt slik at ladestrømmen som tilføres batteriet er relativt lavt.

B området indikerer den faktiske ladeperioden hvor ladestrømmen omformes til lagret energi i batteriet. Her blir spenningen som tilføres styrt slik at ladestrømmen i opprettholdes på i alt vesentlig den samme maksimumsverdi, hvilken bestemmes av typen av batteri som er involvert, og spenningen over batteriet øker kun langsomt.

IC området nærmer batteriet seg nå sin tilstand av full ladning, og for å opprettholde den maksimale ladestrøm begynner spenningen over batteriet å øke hurtigere inntil spenningen over batteriterminalene når det forutbestemte maksimum Vmaks (som er gitt av typen av batteri som er involvert).

ID området blir den tilførte spenning styrt slik at den målte spenning over batteritermi-nalen er lik maksimumsgrensen, Vmaks. I områdene C og D er den innvendige motstand i battericellen økt, og for en konstant batterispenning, slik som i D området, vil den resulterende ladestrøm minske. På grunn av det faktum at batterispenningen holdes på en konstant verdi i området D, er den resulterende temperaturøkning relativt lav, hvilket holder den destruktive virkning bevirket av ladestrømmen på battericellene på et minimum.

Ikke senere enn tidspunktet Tmaks når Vmaks nås, blir den resterende ladeperiode bestemt. Når slik resterende ladeperiode som starter ved Tmaks har gått, blir ladeprosessen avsluttet.

Ladestrømmen som mates til batteriet styres ved hjelp av pulsbreddemodulering av en konstant-spenning kilde.

Spenningskurven V som er vist på fig. 3 representerer en ladeprosess for et NiCd batteri som er nesten ubelastet. Fig. 4 viser seks tilsvarende spenningskurver V1-V6 som representerer forskjellige ladeforløp for det samme batteriet med forskjellige startladninger. Kurven VI representerer ladeprosessen for batteriet når det er nesten fullstendig ladet, og kurven V6 representerer en ladeprosess for batteriet når det er nesten fullstendig utladet. Fig. 4 viser at ladeperioden som er nødvendig for å oppnå den maksimale spenning Vmaks øker når den begynnende ladetilstand for batteriet avtar. Det kan også sees fra fig. 4 at den "resterende ladetid", som er tidsperioden fra det å nå Vmaks til ladeprosessen avsluttes, øker når batteriets begynnende ladetilstand avtar.

Informasjon om ideelle eller ønskede referansespenningskurver for typen av angjeldende batteri for et flertall av forskjellige begynnende ladetilstander for batteriet kan lagres i et elektronisk minne. Ved å sammenligne forløpet av den faktiske spenningskurve, slik som helningen av kurven med de lagrede referanseverdier, kan den relevante referansespenningskurve og den "resterende ladetid" som er tilhørende denne bestemmes.

Helningen av spenningskurven kan måles løpende, for eksempel hvert tiende sekund under ladeprosessen. For hver måling foretas sammenligning med de lagrede referansehelninger, og et nytt forslag for en "resterende ladetid" bestemmes. Når den målte batteri spenning når den lagrede maksimale spenning Vmaks, blir bestemmelse av den "resterende ladetid" kansellert, og den sist bestemte "resterende ladetid" verdi anvendes.

En annen utførelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, som også resulterer i ladekurver av den type som er vist på figurene 3 og 4, omfatter forlagring av et begrenset antall av referanseverdier for helningen av spenningskurven. I hver måling blir den faktiske helning av kurven sammenlignet med referanseverdiene, og kun når helningen passerer én av referanseverdiene blir en ny "resterende ladetid" verdi bestemt.

Kurver som svarer til de som er vist på figurene 3 og 4 vil også bli oppnådd for andre batterityper. Disse kurver kan være av forskjellig utseende og for visse av disse vil korreleringen mellom tiden for å nå spenningen Vmaks og den optimale, resterende ladetid ikke nødvendigvis bli tilknyttet helningen av den angjeldende spenningskurve, men med andre parametre av kurven, slik som eksempelvis den absolutte spenningen i angjeldende øyeblikk. Desto flere parametre som måles og lagres, desto flere avanserte bestemmelser kan foretas for å bestemme den optimale, resterende ladetid.

En ytterligere utførelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen som resulterer i ladekurver av den type som er vist på figurene 3 og 4, omfatter måling av batterispenningen ved et fast tidspunkt sammen med måling av helningen av spenningskurven når den maksimale spenning Vmaks nås. I denne utførelsesform kan spenningen sammen med helningen av spenningskurven innbefattes i en mer avansert bestemmelse av den optimale, resterende ladetid.

Spenningskurvene som vist på fig. 3 og 4 er blitt plottet ved å måle spenningen over batteriterminalene når batteriet lades. Imidlertid er en alternativ mulighet å avbryte ladestrømmen kort hver gang en spenningsmåling utføres. En ganske lik kurve oppnås på denne måte, men de absolutte spenningsverdier vil være noe lavere fordi kurven ikke innbefatter spenningsfallet som involveres ved ladestrømmen over den innvendige motstand i batteriet. Ettersom denne innvendige motstand typisk øker ved slutten av ladesekvensen, vil en spenningsmåling uten dette bidrag være et mer nøyaktig mål for batteriets tilstand.

I utførelsesformene som er beskrevet ovenfor vil måling av kurvens helning finne sted på den følgende måte. Ved hvert måletidspunkt, dvs. eksempelvis hvert tiende sekund, måles spenningen på batteriet, og en elektronisk prosessor kan så lagre denne spenningsverdi i en lagringskrets. Prosessoren beregner så forskjellen mellom denne verdi som nettopp er målt og eksempelvis verdien som er blitt målt for 90 sekunder siden, og denne forskjell anvendes som et mål på kurvens helning ved angjeldende tidspunkt. På denne måte blir en ny verdi av helningen som er blitt målt over en periode lik eksempelvis 90 sekunder oppnådd hvert tiende sekund. For å hindre spenningsmålinger fra å bli påvirket av transienter og lignende, blir spenningen fortrinnsvis målt hyppigere, eksempelvis 100 ganger mellom hvert av nevnte måletidspunkter. Hver av disse mellomliggende målinger .lagres av prosessoren, og ved det faktiske måletidspunkt beregner prosessoren et gjennomsnitt av de 100 mellomliggende målinger som er blitt utført siden det siste måletidspunktet.

Når ladeprosessen er blitt avsluttet som beskrevet ovenfor, kan vedlikeholdslading av batteriet finne sted dersom batteriet etterlates i laderen. Dette finner sted ved å føre strømpulser gjennom batteriet i intervaller.

Disse strømpulser og tiden mellom disse er tilpasset slik at de kompenserer for selv-utlading av batteriet som ellers ville finne sted. Pulsene kan eksempelvis ha en varighet lik 15-30 sekunder og avstanden mellom disse kan være noen få timer. Fig. 5 viser et blokkskjema over en utførelsesform av en anordning ifølge oppfinnelsen. 220 volt tilføres anordningen ved hjelp av et vanlig støpsel 1 og spenningen omformes i likeretterblokken 2 til en 9 volts likespenning. 3 viser en strømregulator som leverer strøm til batteriet som skal lades via terminalene 4, 5. Strømmen fra batteriet går via terminalen 5 og motstanden 6 via jord tilbake til likeretterkretsen 2. Strømregulatoren 3 styres via et styretrinn 8 fra en prosessor 7. Prosessoren 7 er i stand til å måle strøm og spenning ved hjelp av en analog/digital omformer 9. Ladestrømmen måles ved å måle spenningsfallet over motstanden 6, mens spenningen på batteriet oppnås som forskjellen mellom spenninger målt på henholdsvis terminalene 4 og 5. Prosessoren 7 er dessuten koblet til en lagringskrets 10, som anvendes blant annet for å lagre målte strøm og spenningsverdier samt de beregnede stopptidspunkter. En regulatorkrets 11 genererer en likespenning lik 5 volt fra spenningen lik 9 volt fra likeretterkretsen 2. Spenningen lik 5 volt anvendes for tilførsel til kretsene 7, 9 og 10. Strømregulatoren 3 styres ved hjelp av pulsbreddemodulasjon, og prosessoren 7 regulerer pulsbredden på en måte slik at den ønskede ladestrøm konstant går gjennom batteriet. Prosessoren måler dette, som nevnt ved å måle spenningsfallet over motstanden 6. Dersom det er ønskelig, kan prosessoren utføre spenningsmålingen over batteriet i intervaller mellom strømpulsene. Spenningsmålingen vil således ikke bli påvirket av spenningsfallet som ladestrømmen bevirker over den innvendige motstand i batteriet. Fig. 6 viser et kretsskjema over en utførelsesform av anordningen fra fig. 5. Blokkene fra fig. 5 er vist i stiplede linjer og med de samme referansetall som i fig. 5. Likeretterblokken 2 omfatter en transformator Tl samt en likeretterkobling bestående av de fire diodene Dl, D2, D3 og D4. Utgangsspenningen fra denne er en likespenning lik 9 volt, hvilken føres delvis til strømregulatoren 3 og delvis til regulatorkretsen 11. Strømregulatoren 3 består av en transistor Q4, og styres via styretrinn 8 fra prosessoren ICI. Styretrinnet 8 består av motstandene R5, R6, R7 og R8, samt en transistor Q3. Når utgangsterminalen Pl.l på prosessoren har et høyt utgangssignal, vil transistoren Q3 være i ledende tilstand via spenningsdeleren som består av R7 og R8. Strøm vil herved gå gjennom spenningsdeleren R5 og R6, hvilket bevirker Q4 til å innta en ledende tilstand, hvorved strøm tilføres batteriet. Når utgangsterminalen Pl.l på prosessoren er lav, vil både transistoren Q3 og transistoren Q4 være i en ikke-ledende tilstand, og ingen ladestrøm mates til batteriet.

Den analoge/digitale omformer 9 består av den integrerte krets IC2 samt motstandene R2 og R3 og glattingskondensatoren C4, Cl. De målte spenninger som indikerer henholdsvis batterispenningen og ladestrømmen omdannes til digital informasjon i den integrerte krets IC2, og denne digitale informasjon føres videre over til terminalene Pl.2 og Pl.3 på prosessoren.

I denne utførelsesform omfatter prosessorkretsen ICI både prosessoren 7 og lagringskretsen 10. Dessuten er kondensatoren Cl, C2 og C3, samt et krystall XI koblet til prosessoren. Ellers er operasjonsmåten for denne prosessorkrets generelt kjent.

Regulatorkretsen 11 består av den integrerte spenningsregulator IC3 samt kondensatoren C5 og C6. Denne krets tilfører en likespenning lik 5 volt som anvendes for å forsyne kretsene ICI og IC2 med spenning.

Den beskrevne krets er nyttig uansett hvorvidt det besluttes å måle spenningen under lading av batteriet med en konstant strøm, eller å måle strømmen under lading av batteriet med en konstant spenning, likesom kombinasjon av disse to kan anvendes.

Selvfølgelig kan detaljer knyttet til konstruksjonen av kretsen modifiseres innenfor omfanget av oppfinnelsen som definert av patentkravene. Eksempelvis kan andre prosessortyper enn den ene som er vist anvendes. Det er også mulig å anvende andre spenninger enn de som er angitt på figurene 5 og 6, ettersom dette eksempelvis kan være avhengig av antallet av celler i batteriet som skal lades.

Claims (22)

1. Fremgangsmåte for å lade et gjenoppladbart batteri, omfattende: å koble en elektrisk energikilde (3) til batteriet, å måle og valgfritt beregne én eller flere karakteristiske parametre for ladingsprosessen ved påfølgende tidspunkter under lading, å sammenligne disse parametre med referanseverdier, å velge ett av nevnte påfølgende tidspunkter, og å avslutte ladingsprosessen når en resterende ladetidsperiode som begynner ved nevnte valgte tidspunkt har gått,karakterisert vedat den resterende ladetidsperiode og derved et mulig stopptidspunkt bestemmes ved hvert eller i det minste noen av nevnte måletidspunkter, basert på en sammenligning av den målte eller beregnede parameter eller parametre med referanseverdiene, og at en optimal, resterende ladetid og derved et optimalt stopptidspunkt bestemmes fra et flertall av mulige stopptidspunkter som skyldes slike sammenligninger, idet hver sammenligning er basert på en korrelasjon mellom parameterverdier ved de påfølgende tidspunkter og deres avstander i tid fra deres respektivt mulige stopptidspunkt.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved å sammenligne de faktiske måleverdier for de karakteristiske parametre med tidligere måleverdier for de samme parametre for hvert av nevnte måletidspunkter, hvorved endringstakten for parametrene bestemmes som en funksjon av tid; å sammenligne nevnte endringstakt med referanseverdier; og å bestemme nevnte stopptidspunkter som reaksjon på dette.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, innbefattende et begrenset antall av referanseverdier, karakterisert ved å bestemme et stopptidspunkt for ladeprosessen når de karakteristiske parametre og/eller deres endringstakt inntar en av referanseverdiene.

4. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-3, der spenningen over forbindelsesterminalene (4, 5) på batteriet måles under ladingen, karakterisert ved å avbryte ladestrømmen til batteriet i en kort periode før spenningen på batteriet måles.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, karakterisert ved at spenningen, som tilføres batteriet, styres slik at ladestrømmen holdes relativt lav ved begynnelsen av ladeprosessen.

6. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-5, karakterisert ved å mate en konstant ladestrøm til batteriet under den første delen av ladeperioden, og så gradvis å redusere ladestrømmen inntil ladingen avsluttes.

7. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-6, karakterisert ved å styre ladestrømmen som mates til batteriet ved å pulsbreddemodulere en konstant-spenningkilde.

8. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-7, karakterisert ved å initiere bestemmelsen av nevnte endringstakt og/eller mulig stopptidspunkter for ladeprosessen når én av de karakteristiske parametre far en forutbestemt verdi.

9. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-8, karakterisert ved at måleverdiene av de karakteristiske parametre for hvert av nevnte måletidspunkter er et gjennomsnitt av et flertall av mellomliggende målinger som er blitt utført etter det foregående måletidspunkt.

10. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-9, karakterisert ved å avslutte ladingen dersom ett av nevnte stopptidspunkter ennå ikke har inntruffet etter en forutbestemt periode fra starten av ladeprosessen.

11. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-10, karakterisert ved å avslutte ladingen dersom én av de målte parametre far én av et flertall av forutbestemte verdier.

12. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-11, karakterisert ved å opprettholde batteriets ladingstilstand etter avslutningen av ladingen ved hjelp av en pulserende strøm.

13. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av kravene 1-12, karakterisert ved kort å tilføre spenning til batteriet forut for iverksettelse av ladeprosessen, slik at de karakteristiske parametre kan måles, idet resultatene av disse målinger bestemmer hvorvidt ladeprosessen skal iverksettes.

14. Anordning for å lade et gjenoppladbart batteri, hvilken anordning omfatter: en elektrisk energikilde (3), en måleinnretning (6) for å måle én eller flere karakteristiske parametre for ladeprosessen ved påfølgende tidspunkter under lading, en styreenhet (7) for å beregne andre karakteristiske parametre, styre energikilden (3) og bestemme ladeprosessen, og middel for å tilføre de målte verdier fra måleanordningen til styreenheten via en analog/digital omformer (9), idet styreenheten (7) innbefatter en lagringskrets (10) for å lagre målte parameterverdier, beregnede parameterverdier og referanseverdier, og der styreenheten er tilpasset til å styre ladeprosessen basert på de lagrede verdier,karakterisert ved at styreenheten (7) er tilpasset til å bestemme en resterende ladetidsperiode og dermed et mulig stopptidspunkt for ladeprosessen ved hvert eller i det minste noen av nevnte måletidspunkter basert på en sammenligning av den målte, karakteristiske parameter eller parametrene med referanseverdiene, og å bestemme en optimal, resterende ladetid og derved et optimalt stopptidspunkt for et flertall av mulige stopptidspunkter som skyldes slike sammenligninger, idet hver sammenligning er basert på en korrelasjon mellom parameterverdier ved de påfølgende tidspunkter og deres avstander i tid fra deres respektive mulige stopptidspunkt.

15. Anordning som angitt i krav 14, karakterisert ved at det for hvert av nevnte måletidspunkter er det tilpasset til å sammenligne faktiske måleverdier for de karakteristiske parametre med tidligere måleverdier for de samme parametre, for derved å bestemme endringstakten for parametrene som en funksjon av tid, og å bestemme nevnte stopptidspunkter ved sammenligning av endringstakten med referanseverdier.

16. Anordning som angitt i krav 14 eller 15, der nevnte anordning er i stand til å måle spenningen over forbindelsesterminalene (4, 5) på batteriet, karakterisert ved at anordningen er i stand til å avbryte ladestrømmen til batteriet i en kort periode før spenningen på batteriet måles.

17. Anordning som angitt i krav 16, karakterisert ved at styreenheten (7) er tilpasset til å styre spenningen som leveres til batteriet, slik at ladestrømmen holdes relativt lav ved begynnelsen av ladeprosessen.

18. Anordning som angitt i et hvilket som helst av kravene 14-17, karakterisert ved at ladestrømmen som mates til batteriet reguleres ved å pulsbreddemodulere en konstant spenning.

19. Anordning som angitt i et hvilket som helst av kravene 14-18, karakterisert ved at anordningen er tilpasset til å avslutte ladingen etter en forutbestemt periode etter starten av ladeprosessen dersom ett av nevnte stopptidspunkter ikke har inntruffet forut.

20. Anordning som angitt i kravene 15-19, karakterisert v e d at anordningen er tilpasset til å avslutte ladingen dersom én av de målte parametre far én av et flertall av forutbestemte verdier.

21. Anordning som angitt i kravene 15-20, karakterisert v e d at anordningen er tilpasset til å opprettholde ladingstilstanden for batteriet etter avslutning av ladingen ved hjelp av en pulserende strøm.

22. Anordning som angitt i kravene 15-21, karakterisert v e d at anordningen er tilpasset til kort å tilføre en spenning til batteriet forut for iverksettelsen av ladeprosessen, måle de karakteristiske parametre, og bestemme som reaksjon på måleresultatene hvorvidt ladeprosessen skal iverksettes.