PL172473B1

PL172473B1 - Sposób i urzadzenie do ladowania akumulatorów PL PL PL PL PL

Info

Publication number: PL172473B1
Application number: PL93309289A
Authority: PL
Inventors: Victor A Ettel; Jan Hohercak; Jiri K Nor; Joseph V Solyts; Charles Douglas
Original assignee: Inco Ltd; Norvik Technologies Inc
Priority date: 1992-09-11
Filing date: 1993-07-14
Publication date: 1997-09-30
Also published as: AU670447B2; CA2144332A1; DE69318029T2; WO1994007292A1; EP0659304B1; CA2144332C; JP2771331B2; CZ59495A3; AU4555193A; JPH08500238A; US5477125A; DE69318029D1; EP0659304A1; PL309289A1; ATE165191T1; SK31895A3

Abstract

1 Sposób ladowania akum ulatorów i baterii przy uzyciu funkcji pochodnej napiecia po czasie, w którym laduje sie aku mulatory i baterie przy stalym pradzie poczatkowym ladowania, okresowo przerywa sie prad ladowania, zapewniajac okres wyla czenia pradu o ustalonym czasie trwania, próbkuje sie napiecie V o nieobciazonego akumulatora lub baterii, mierzone w usta lonym czasie podczas kazdego okresu wylaczenia pradu, wybiera sie napiecie odniesienia V R E F przeciazenia typowe dla poczat ku reakcji przeciazenia 1 reguluje sie prad ladowania okresowo tak, ze V o nie przekracza V R E F , znam ienny tym, ze zestawia sie wartosci napiecia V o nieobciazonego akumulatora lub batem wzgledem czasu t uplywajacego od poczatku ladowania, ustala sie przynajmniej charakterystyke pierwszej pochodnej dVo/dt dla V o 1 wykrywa sie na niej punkty charakterystyczne pierwszej pochodnej oraz wybiera sie napiecie odniesienia V R E F przecia zenia jako funkcje co najmniej jednego z punktów charakterysty cznych pierwszej pochodnej. 4. Urzadzenie do ladowania akumulatorów 1 baterii za wierajace zasilacz do dostarczania stalego poczatkowego pradu ladowania do akum ulatorów 1 baterii, dolaczony do ukladu two rzenia funkcji pochodnej napiecia po czasie akumulatorów 1 batem, dolaczonego do przekaznika do okresowego przerywania pradu ladowania, który jest dolaczony do ukladu próbkowania napiecia V o nieobciazonego akum ulatora lub batem, dolaczo nego do ukladu selekcji napiecia odniesienia V R E F przeciaze nia, który jest dolaczony do ukladu regulacji pradu ladowania, znam ienne tym, ze zawiera m ikroprocesor (5) zawierajacy uklad zestawienia wartosci (V o ) dolaczony do akumulatora (1), rezystora bocznikujacego (2) wlaczonego pomiedzy akumulator (1) 1 zasilacz (3) oraz do przekaznika (4), przy czym .............. F i g . 1 PL PL PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do ładowania akumulatorów i baterii.

Ładowanie akumulatorów polega na wywoływaniu przepływu prądu przez akumulator, zwykle przy sterowaniu prądem i często przy sterowaniu napięciem. Chociaż istnieje potrzeba sterowania szybkością procesu ładowania, najbardziej istotna potrzeba sterowania wynika z konieczności przerwania procesu ładowania, gdy bateria osiąga stan pełnego naładowania. Po przekroczeniu tego momentu dalsze ładowanie akumulatora powoduje niepożądane i szkodliwe reakcje przeładowania prowadzące w ogniwach odpowietrzanych do elektrolizy i utraty wody, która musi być uzupełniana, a w ogniwach uszczelnionych do wytwarzania ciśnienia i ciepła, ponieważ reakcje przy przeładowaniu są egzotermiczne.

Znany jest sposób unikania reakcji przeładowania przez ograniczenie napięcia ładowania do pewnej wartości, który jest tylko częściowo skuteczny dla pewnych typów akumulatorów, na przykład akumulatorów kwasowo-ołowiowych, odpowietrzanych akumulatorów NiCd i uszczelnionych akumulatorów litowo-jonowych.

Uszczelnione akumulatory, w których zachodzi rekombinacja produktów reakcji przeładowania, na przykład akumulatory NiCd, zwykłe dobrze tolerują przeładowania przy małych szybkościach, przy których ciśnienia powstałych gazów są niskie i wytwarzanie ciepła jest na tyle wolne, że może być ono łatwo rozproszone i oddane. Konieczność zatrzymania procesu ładowania, gdy bateria jest całkowicie naładowana, nie jest zbyt krytyczna, jeżeli nie zachodzi utrata składników elektrolitu. Jednak ciągłe przeładowanie, nawet przy małej szybkości, często ogranicza czas życia akumulatorów.

Szybkie ładowanie, to jest ładowanie w czasie krótszym niż jedna godzina, stwarza znacznie większe problemy zarówno dla akumulatorów odpowietrzanych jak i uszczelnionych. Pierwszy problem wynika z ograniczonej szybkości rozkładu ładunku lub jego wyrównywania w płytach elektrod tak, że pewne części masy aktywnej, które są łatwiej dostępne elektrochemicznie, zostają w pełni naładowane i zachodzą w nich reakcje przeładowania, podczas gdy inne części masy aktywnej nie są jeszcze w pełni naładowane. Problem ten staje się poważniejszy przy zwiększaniu prądu. W obszarze przeładowania sprawność prądowa reakcji ładowania zmniejsza się. Taki przypadek często zachodzi w praktyce. W wyniku tego szybko ładowane akumulatory NiCd są silniej katalizowane dla uniknięcia nadmiernego ciśnienia w obudowie podczas okresu przeładowania. To rozwiązanie wykorzystujące ograniczony czas przeładowania jest popularne, ponieważ umożliwia stosowanie prostej technologii ładowania, przy średnich czasach ładowania

1-6 godzin. Jednak szybkie nagrzewanie akumulatora podczas szybkiego przeładowania jest nie do uniknięcia. Innym problemem jest możliwość przekroczenia bezpiecznego ciśnienia i odpowietrzania akumulatora, szczególnie w niskich temperaturach.

Znany jest sposób sterowania ładowaniem uszczelnionych akumulatorów NiCd, oparty na przerwaniu prądu ładowania po wykryciu impulsu napięcia. Konieczny jest pewien nadmiar, na przykład 10 mV, dla rozróżnienia między rzeczywistym impulsem i szumem związanym z odczytami napięcia. Ten sposób jest skuteczny przy czasach ładowania około 1 godziny, lecz nie można uniknąć znacznych przeładowań.

Bardziej złożone sposoby wykorzystują wykrycie punktu drugiego przegięcia charakterystyki ładowania dla zatrzymania procesu ładowania, co umożliwia skrócenie czasu ładowania do 15 minut, lecz przeładowanie nie zostaje całkowicie wyeliminowane.

Oba sposoby polegają na przekroczeniu linii ładowania/przeładowania dla zakończenia ładowania z dużą szybkością i powodują niepotrzebne, szkodliwe nagrzanie akumulatora. Ponieważ większość akumulatorów ogrzewa się podczas rozładowania z powodu nieodwracalnych zjawisk termodynamicznych, dodatkowe ogrzewanie w czasie ładowania powoduje szybkie przegrzewanie akumulatorów użytkowych w trudnych warunkach.

Znany jest także sposób przy szybkim ładowaniu, polegający na ograniczeniu szybkości ładowania w momencie wystąpienia reakcji przeładowania, co wymaga zasadniczo śledzenia linii granicznej ładowania/rozładowania. W tym sposobie można uniknąć reakcji przeładowania, wzrost ciśnienia jest bardzo mały i akumulator nie nagrzewa się w związku z mechanizmem rekombinacji reakcji przeładowania. Akumulatory NiCd o małej rezystancji wewnętrznej mogą nawet chłodzić się dzięki endotermicznemu charakterowi reakcji ładowania.

Znany jest z europejskiego zgłoszenia patentowego nr 311 460 praktyczny sposób określania początku reakcji przeładowania, oparty na pomiarze napięcia nieobciążonego akumulatora podczas krótkich, ale częstych przerw prądu ładowania i porównywaniu go z zewnętrznym, wstępnie wybranym napięciem odniesienia typowym dla początku reakcji przeładowania. Wówczas gdy wyczuwane- napięcie nieobciążonego akumulatora osiąga tę wstępnie ustaloną wartość kompensowaną temperaturowo, prąd jest stopniowo zmniejszany tak, że napięcie odniesienia nie jest nigdy przekraczane.

Ten sposób jest określany jako sposób ponownego ładowania akumulatorów i baterii, wykorzystujący funkcję pochodnej napięcia względem czasu, przez ładowanie akumulatorów i baterii prądem ładowania, okresowe przerywanie prądu ładowania dla uzyskania okresów bezprądowych o określonym czasie trwania, próbkowanie przy nieobciążonym akumulatorze napięcia mierzonego podczas okresu bezprądowego, wybieranie napięcia odniesienia przeładowania, zwykle napięcia początku przeładowania i modulowanie prądu ładowania tak, żeby napięcie nie przekroczyło napięcia odniesienia przeładowania aż do czasu, gdy akumulatory i baterie są wystarczająco naładowane.

Ten sposób ograniczania prądu oparty na odczycie napięcia nieobciążonego akumulatora jest skuteczny dla pewnych odpowietrzanych i uszczelnionych akumulatorów. Akumulatory NiCd o małej rezystancji mogą być ładowane w czasie tak krótkim, jak 5 minut, przy przyroście temperatury mniejszym niż 10°C lub w ciągu 15 minut przy obniżeniu temperatury. Zwykłe akumulatory kwasowo-ołowiowe są ładowane w ciągu 20 minut, a odpowietrzane akumulatory NiCd, wykorzystywane w samolotach przy starcie, są ładowane w ciągu 15 minut.

Jednak w tym sposobie napięcie odniesienia stosowane do sterowania procesem ładowania wzdłuż linii ładowania/rozładowania zależy od liczby ogniw w akumulatorze, od temperatury i do pewnego stopnia od konstrukcji ogniwa. Podczas gdy ustalenie właściwego napięcia odniesienia dla określonej liczby ogniw i ich temperatury nie jest specjalnie trudne, wprowadzenie wpływu konstrukcji poszczególnych ogniw na wartość napięcia odniesienia jest bardziej złożone.

Znane jest z europejskiego zgłoszenia patentowego nr 0 005 840 urządzenie do ładowania akumulatorów, w którym dwa punkty przegięcia charakterystyki napięcia ładowania akumulatora w funkcji czasu są kontrolowane w celu określenia, kiedy kończyć ładowanie. Prąd ładowania jest przerywany okresowo i następnie jest przeprowadzany pomiar napięcia. Do określania napięcia akumulatora jest stosowany przetwornik typu przybliżania kolejnego, który dostarcza wyniki do mikrokomputera analizującego taką informację w celu wykrycia punktów przegięcia. Stałe dla baterii różnego typu są ustalane wstępnie w zależności od konkretnego przypadku.

Znane jest z opisu patentowego USA nr 4 639 655 urządzenie do ładowania akumulatorów, w którym napięcie akumulatora jest mierzone podczas ładowania, a mierzone napięcia i określone doświadczalnie napięcia akumulatora określonego typu są wykorzystywane do oceny, kiedy kończyć ładowanie.

Sposób według wynalazku polega na tym, że zestawia się wartości napięcia V0 nieobciążonego akumulatora lub baterii względem czasu t upływającego od początku ładowania, ustala się przynajmniej charakterystykę pierwszej pochodnej dV0/dt dla V i wykrywa się na niej punkty charakterystyczne pierwszej pochodnej oraz wybiera się napięcie odniesienia Vref przeciążenia jako funkcję co najmniej jednego z punktów charakterystycznych pierwszej pochodnej.

Korzystnie ustala się charakterystykę drugiej pochodnej d2V0/dt dla V0 i wykrywa się na niej maksymalny punkt charakterystyczny drugiej pochodnej.

172 473

Korzystnie wybiera się punkty charakterystyczne pierwszej i drugiej pochodnej spośród grupy, w której określa się punkt pierwszego przegięcia I/1/ usytuowany w minimum charakterystyki pierwszej pochodnej dVo/dt, punkt K maksymalnej krzywizny usytuowany w maksimum charakterystyki drugiej pochodnej d²V0/dt, punkt drugiego przegięcia 1/2/ usytuowany w maksimum charakterystyki pierwszej pochodnej dVo/dt i funkcję co najmniej dwóch z powyższych punktów.

Urządzenie według wynalazku zawiera mikroprocesor zawierający układ zestawiania wartości Vo dołączony do akumulatora, rezystora bocznikującego włączonego pomiędzy akumulator i zasilacz oraz do przekaźnika, przy czym mikroprocesor zawiera układ ustalania przynajmniej charakterystyki pierwszej pochodnej dVo/dt dla Vo i wykrywania na niej punktów charakterystycznych oraz układ selekcji napięcia odniesienia Vref przeciążenia w funkcji co najmniej jednego z punktów charakterystycznych pierwszej pochodnej.

Korzystnie mikroprocesor zawiera układ ustalania charakterystyki drugiej pochodnej d2Vo/dt2 dla Vo i wykrywania na niej maksymalnego punktu charakterystycznego drugiej pochodnej.

Korzystnie mikroprocesor zawiera układ ustalania punktu pierwszego przegięcia I/1/ usytuowanego w minimum charakterystyki pierwszej pochodnej dVo/dt.

Korzystnie mikroprocesor zawiera układ ustalania punktu K maksymalnej krzywizny, usytuowanego w maksimum charakterystyki drugiej pochodnej.

Zaletą wynalazku jest zapewnienie sposobu ładowania akumulatorów bardzo szybko i łagodnie, bez powodowania przeciążeń nadmiernym ładunkiem i ich skutków, takich jak przegrzanie lub zmniejszenie trwałości akumulatora. Urządzenie do ładowania akumulatorów jest zdolne do automatycznego określania napięcia odniesienia i odpowiednio do tego sterowania cyklem ładowania, zapobiegając przeładowaniom. Urządzenie to działa niezależnie od charakterystyk poszczególnych ogniw lub temperatury. W tym sposobie napięcie odniesienia automatycznie uwzględnia liczbę ogniw, temperaturę i konstrukcję, a więc umożliwia, żeby urządzenie ładujące doładowało dowolny akumulator bez uprzedniej znajomości jego indywidualnych parametrów. Mikroprocesor zapewnia koordynację i wykonywanie wymaganych funkcji.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia wykres stopnia naładowania akumulatora w funkcji ładunku i prądu w warunkach szybkiego ładowania, fig. 2 - charakterystyki temperatury i ładowania w funkcji czasu ładowania, fig. 3A - charakterystyki temperatury i napięcia nieobciążonego akumulatora w funkcji czasu, mierzone po 15 ms i 495 ms okresu bezprądowego akumulatora typu X, ładowanego prądem 5A szybkością 8C, przy początkowej temperaturze pokojowej, fig. 3B - charakterystykę temperatury i przebiegi pierwszej i drugiej pochodnej charakterystyki napięcia z fig. 3A, fig. 3C - trójwymiarowy wykres przedstawiający przebiegi napięcia nieobciążonego akumulatora w funkcji czasu okresów bezprądowych, w warunkach z fig. 3A, fig. 4 - charakterystyki jak na fig. 3A, przy prądzie ładowania 2,5 A i szybkości ładowania 4C, fig. 5 - charakterystyki jak na fig. 3A, przy początkowej temperaturze akumulatora około 53°C i prądzie ładowania 1O A, fig. 6 - charakterystyki jak na fig. 3A, dla akumulatora typu Y, fig. 7 - charakterystyki jak na fig. 4, dla akumulatora typu Y i szybkości ładowania 4C, fig. 8 - charakterystyki jak na fig. 5, dla akumulatora typu Y, przy początkowej temperaturze akumulatora około 49°C, fig. 9A - charakterystyki jak na fig. 3a, dla akumulatora typu W, fig. 9B - przebiegi pierwszej i drugiej pochodnej charakterystyki napięcia z fig. 9A, fig. 1O - urządzenie do ładowania akumulatorów w uproszczonym schemacie, fig. 11 - charakterystyki temperatury, napięć, prądu i ładunku w funkcji czasu dla jednego typu akumulatora w temperaturze otoczenia, fig. 12 - charakterystyki jak na fig. 11, przy podwyższonej temperaturze akumulatora i fig. 13 - charakterystyki temperatury, napięć, prądu i ładunku w funkcji czasu dla drugiego typu akumulatora w temperaturze otoczenia.

172 473

Figury 1 i 2 przedstawiają ogólne przebiegi ładowania. Wszystkie dalsze charakterystyki zostały uzyskane przy użyciu dostępnych w handlu akumulatorów oznaczonych dla uproszczenia jako akumulatory typu X, Y i W.

Napięcie odniesienia początku reakcji przeładowania jest określane podczas okresu ładowania stałym prądem przez określenie napięcia V„ nieobciążonego akumulatora w pewnych charakterystycznych punktach danych. Charakterystyczne punkty danych znajdują się na charakterystyce ładowania przedstawiającej napięcie V„ nieobciążonego akumulatora w funkcji czasu. Na fig. 2 charakterystycznymi punktami są: punkt pierwszego przegięcia I/1/ charakterystyki ładowania Vc(t), gdzie ma minimum pierwsza pochodna dV<Odtt, punkt K maksymalnej krzywizny charakterystyki ładowania, określany także jako punkt przegięcia charakterystyki pierwszej pochodnej dV,Odit, gdzie ma maksimum druga pochodna d^Odt² i punkt drugiego przegięcia 1(2) charakterystyki ładowania, gdzie ma maksimum pierwsza pochodna dVo/dŁ

Właściwe napięcie odniesienia jest wybrane jako funkcja jednego lub średniej ważonej dwóch lub więcej powyższych punktów charakterystycznych. Na przykład napięcie odniesienia może być wyliczone przez zwiększenie wartości Vi(i) o pewien procent lub przez zmniejszenie wartości Vk lub Vi(2) o pewien procent.

Sposoby stosowane do zakończenia szybkich procesów ładowania/rozładowania w pożądanym punkcie są najlepiej przedstawione przy pomocy charakterystyki ładowania pokazanej na fig. 2. Zredukowana i utleniona postać masy aktywnej Ni(OH)2 i NiO(OH) są oznaczane jako Mred i Mox.

Pierwsza część A charakterystyki napięcia Vo(t) przedstawia początkowy szybki wzrost napięcia głęboko rozładowanego akumulatora, spowodowany pierwszym wytworzeniem Mox, po którym następuje spłaszczenie przebiegu napięcia w czasie głównego okresu ładowania, gdzie są wystarczające ilości obu postaci masy aktywnej M_red i Mox. Druga część B charakterystyki zaczyna się w punkcie pierwszego przegięcia 1(1) i przedstawia wzrost napięcia spowodowany rozpoczęciem, a następnie stopniowym wzrostem, pierwszej reakcji przeładowania. Część C rozpoczyna się w punkcie drugiego przegięcia 1(2), gdzie reakcja przeładowania zaczyna dominować. Krzywa jest rozdzielona w punkcie K maksymalnej krzywizny tak, że część C uwidacznia różnicę między charakterystyką ładowania Cv akumulatorów odpowietrzanych i charakterystyką ładowania Cs akumulatorów uszczelnionych.

Charakterystyka ładowania Cv akumulatorów odpowietrzanych na końcu spłaszcza się do prostej odpowiadającej pierwszej reakcji przeładowania. Natomiast w akumulatorach uszczelnionych z rekombinacją, reakcja przeładowania powoduje znaczny wzrost temperatury rozpoczynający się w punkcie pierwszego przegięcia 1(1) i bardziej widoczny po punkcie drugiego przegięcia 1(2). Jeżeli napięcie akumulatora ma ujemny współczynnik temperaturowy, na przykład w akumulatorach NiCd, zamiast prostej powstanie impuls P w wyniku szybkiego wzrostu temperatury w tej części charakterystyki ładowania Cs.

Figury 3A i 4 przedstawiają przebiegi ładowania uzyskane dla dwóch uszczelnionych akumulatorów NiCd o wymiarach AA i znamionowej pojemności 600 mAh, typu X, ładowanych prądem 5A z szybkością 8C i prądem 2,5 A z szybkością 4C.

Figura 5 przedstawia ten sam akumulator typu X, ładowany w wyższej temperaturze około 53°C prądem 10 A z szybkością 8C.

Figury 6, 7 i 8 przedstawiają podobne przebiegi ładowania uzyskane dla akumulatorów typu Y. Akumulatory typu X i Y reprezentują skrajne przykłady akumulatorów przemysłowych.

Figura 3C przedstawia dla warunków takich, jak na fig. 3A, zespół poszczególnych charakterystyk spadku napięcia Vo nieobciążonego akumulatora, zdjętych po 500 ms trwania okresów bezprądowych, które są powtarzane co 10 s. Podczas okresów bezprądowych charakterystyki spadku napięcia są próbkowane w czasie to co 10 ms, jak również podczas poprzedzających i następujących 100 ms. Na fig. 3A, 4-8 i 9A napięcia,

172 473 pobierane po 15 i 495 ms po przerwaniu prądu, są wykreślone jako dwie oddzielne charakterystyki napięcia nieobciążonego akumulatora, wraz z charakterystyką temperatury. Charakterystyka temperatury, mierzona termoparą dotykającą zewnętrznej powierzchni akumulatora, wykazuje wzrost nachylenia przy przeładowaniu. Wskutek zamontowania termopary na zewnątrz, charakterystyki temperatury są opóźnione względem początku procesu przeładowania.

Porównując charakterystyki napięcia V przy 15 ms dla akumulatora typu X na fig. 3A i 4, widać że punkt pierwszego przegięcia występuje przy zasadniczo tym samym napięciu 1,49-1,50 V, co oznacza, że napięcie Vi(i) jest niezależne od szybkości ładowania. Taki sam wniosek można wysnuć, badając przebiegi dla akumulatora typu Y na fig. 6 i 7, z wyjątkiem tego, że napięcie Vi(i) jest mniejsze i wynosi 1,46-1,47 V. Cała charakterystyka napięcia przebiega wyżej dla akumulatora typu X i rozdzielenie staje się bardziej ostre po punkcie pierwszego przegięcia. Ta różnica między wartościami napięć Vi(i) dla akumulatorów X i Y wynosi około 30 mV, co jest zgodne z zastosowaniem znanego sposobu ładowania akumulatorów.

Przebiegi na fig. 5 i 8 były zdjęte dla akumulatorów X i Y podgrzanych wstępnie do temperatury około 50°C przed ładowaniem prądem 10A. Uzyskiwane są podobne wyniki, ponieważ akumulator X ma ponownie punkt pierwszego przegięcia na charakterystyce dla 15 ms przy wyższym napięciu niż akumulator Y. Jednak oba podgrzane akumulatory mają teraz napięcia punktu przegięcia Vi(i) o 50-100 mV mniejsze, co wynika z uwzględnienia współczynnika temperaturowego akumulatorów NiCd.

Wartość napięcia nieobciążonego akumulatora w punkcie pierwszego przegięcia może być wykorzystywana do ustalenia napięcia odniesienia Vref dla sterowanej części prądowej charakterystyki ładowania i nie jest już niezbędna znajomość z góry napięcia, temperatury i konstrukcji akumulatora, aby określić najbardziej właściwą wartość napięcia odniesienia Vref- Jednym sposobem łatwego określania położenia punktu pierwszego przegięcia I(1) jest minimum na pierwszej pochodnej napięcia względem czasu (fig. 2). Dla eliminacji niepewności spowodowanej małymi fluktuacjami badanego napięcia jest zwykle niezbędne użycie filtru elektrycznego lub matematycznego (z przesuwaniem średnich) i przyjęcie pewnego nadmiaru napięcia w punkcie przegięcia, mianowicie ustalonego nadmiaru ponad minimum na charakterystyce pierwszej pochodnej.

Jest także możliwe ustalenie wartości napięcia odniesienia Vref w pewnym związku z mierzoną wartością napięcia w punkcie przegięcia tak, że pożądana siła kierująca procesem ładowania może być w razie potrzeby zmieniana. Jedną z możliwości jest ustalenie napięcia odniesienia Vref większego o ustalony procent niż napięcie odczytane w punkcie pierwszego przegięcia.

Inną możliwością jest kontynuowanie ładowania, aż do wykrycia następnego charakterystycznego punktu na charakterystyce ładowania, którym jest punkt K maksymalnej krzywizny (fig. 2). Ten punkt można określić przez umiejscowienie punktu przegięcia na charakterystyce pierwszej pochodnej, gdzie charakterystyka drugiej pochodnej d^Y/dt? ma maksimum. Napięcie odniesienia Vref może być wybrane jako równe napięciu Vk nieobciążonego akumulatora lub w pewnym z nim związku, na przykład 98% wartości napięcia Vk.

Jest także możliwe kontynuowanie ładowania poza punkt K maksymalnej krzywizny, aż do wykrycia punktu drugiego przegięcia I (2), w którym występuje już pewne przeładowanie. Napięcie odniesienia Vref może więc być ustalone jako mniejsze o pewien procent od Vi(2), na przykład 95% napięcia Vi(2). Ten punkt może być umiejscowiony jako maksimum charakterystyki pierwszej pochodnej dV«/dt.

Jest także możliwe ustalenie napięcia odniesienia Vref jako funkcji dowolnych z tych napięć charakterystycznych Vi(1), Vk i Vi(2) nieobciążonego akumulatora, na przykład jako pewna średnia ważona tych wartości.

Podane przykłady wykorzystują parametry charakterystyki utworzonej przez próbkowanie w 15 ms po każdym przerwaniu prądu. Jest możliwe użycie napięć pobieranych

172 473 w innych ustalonych czasach w okresie bezprądowym. Fig. 3C pokazuje parametry charakterystyki napięcia wytwarzanej ciągle dla różnych czasów podczas okresu bezprądowego.

Funkcja identyfikacji i potwierdzenia położenia punktów charakterystycznych na charakterystyce napięcia ładowania nieobciążonego akumulatora, odczyt napięć charakterystycznych w tych punktach, ustalenie napięcia odniesienia Vref w oparciu o zmierzone wartości napięć nieobciążonego akumulatora w tych punktach i sterowanie prądem dla zapewnienia, żeby napięcie V nieobciążonego akumulatora pozostało równe lub mniejsze od wartości Vref, są najłatwiejsze do uzyskania przy użyciu mikroprocesora. Użycie mikroprocesora umożliwia również dodanie różnych pomocniczych funkcji zabezpieczenia, sterowania prądem i kryteriów odłączania. Są one istotne w przypadkach, gdy punkt przegięcia jest przesłonięty przez obecność źle dopasowanych ogniw w akumulatorze lub gdy jest zbyt dużo ogniw w akumulatorze, na przykład akumulatorze pojazdu elektrycznego. Te problemy są rozwiązywane przez użycie mniejszych grup ogniw w akumulatorze i sterowanie prądem ładowania w oparciu o najsłabsze łącze, to jest grupę ogniw, w których najpierw rozpoczyna się przeładowanie.

Przypadkowe przeładowanie występuje często, gdy punkt pierwszego przegięcia jest zaznaczony niewyraźnie. Takie przypadki, jak pokazany na fig. 9A w odniesieniu do akumulatora typu W, można przewidzieć w oparciu o kontrolę, czy te akumulatory mają słabo ukształtowaną charakterystykę, to jest nie mają wyraźnego minimum lub maksimum na charakterystyce pierwszej pochodnej dV<ydi co pokazano na fig. 9B. Przeładowaniu można jednak zapobiec przez kontrolę, czy takie akumulatory mają punkt przegięcia na tej charakterystyce w punkcie K maksymalnej krzywizny, który może być wykryty jako maksimum na charakterystyce drugiej pochodnej dVo/dt, co pooazano na fig. 9B. Położenie tego punktu odpowiada ponownie początkowi pierwszego przeładowania. Zwykle akumulatory mające dużą rezystancję wewnętrzną, to znaczy te, które ogrzewają się zbyt mocno podczas szybkiego ładowania, mają gorzej uformowany przebieg. Również akumulatory NiMeH wykazują tendencję do gorzej uformowanego przebiegu niż akumulatory NiCd, kwasowo-ołowiowe i inne. Dogodne jest więc wykorzystanie napięcia Vc jako drugiego zabezpieczającego kryterium do ustalania napięcia odniesienia Vref, jeżeli punkty przegięcia charakterystyki ładowania są zaznaczone niewyraźnie na charakterystyce.

Istnieje wiele dodatkowych, pomocniczych kryteriów, które są przydatne do uniknięcia przypadkowego przeładowania. Mogą być one oparte na wzroście temperatury, wzroście napięcia Vo, osiągnięciu lub przekroczeniu o pewien procent punktu drugiego przegięcia lub na porównaniu mierzonych wartości dla różnych części akumulatora.

Chociaż powyższy opis dotyczy uszczelnionych akumulatorów NiCd, taki sam sposób może być wykorzystany dla innych akumulatorów mających siodłowy kształt krzywej ładowania.

Figura 10 przedstawia układ do ładowania akumulatorów w uproszczonym schemacie. Akumulator 1 lub ogniwo jest dołączony do zasilacza 3 poprzez rezystor bocznikujący 2 do pomiaru prądu, przekaźnik 4 do przerywania prądu i czujnik tempera tury. Do prowadzenia i kontroli działania układu zastosowano system skomputeryzowanego pobierania danych i sterowania przekaźnikowego, na przykład mikroprocesor 5.

Przeprowadzono dwie próby przy pomocy mikroprocesora 5 w układzie z fig. 10. Zamiast z prostego zasilacza 3, moc doprowadzano poprzez znany układ do ładowania akumulatorów, w tym przypadku układ Minit-Charger™ firmy Norvik Technologies, Inc. Napięcie Vo nieobciążonego akumulatora było mierzone po 10 ms po każdym otwarciu przekaźnika. Przekaźnik 4 był ustawiony na rozwieranie obwodu co 10 s na okres 500 ms. Napięcia V„ były kontrolowane podczas ładowania przez mikroprocesor 5, który wykorzystywał je do kontroli procesu ładowania. Charakterystyki obrazujące wyniki próby, w której wykorzystano akumulator 1 typu Y, są pokazane na fig. 11 dla temperatury otoczenia i na fig. 12 dla temperatury podwyższonej.

Figura 13 przedstawia wyniki takiej samej próby, jak na fig. 11, uzyskane dla akumulatorów typu X.

Na figurze 11 na początku operacji ładowania sztuczne, początkowe napięcie odniesienia VREF(i) było celowo ustalone jako wysokie w celu umożliwienia uzyskania pełnej pojemności podczas ładowania początkowego. Podczas ładowania początkowego mikroprocesor kontroluje napięcie V i przetwarza dane dla określenia punktu minimum na charakterystyce pierwszej pochodnej napięcia V> po czasie, jaki upłynął od rozpoczęcia ładowania, co omówiono ogólnie w oparciu o fig. 3A. Dla pewnej identyfikacji minimum na charakterystyce dVo/dt, nadmiar 0,04 mV/s był dopuszczalny przed przełączeniem zmienionego napięcia odniesienia Vref- Napięcie odniesienia Vref było obliczone jako 102% napięcia V, w punkcie przełączania Z. Mikroprocesor 5 ustala następnie wartość regulowanego napięcia odniesienia Vref(3) jako wartość napięcia V w punkcie minimum i przekazuje wartość napięcia odniesienia Vref() do układu kontroli prądu, wbudowanego w układ do ładowania akumulatorów.

Na figurze 11-13 wartość napięcia odniesienia Vref(h) dla obu akumulatorów została ustalona w punkcie przełączania Z. Układ ładowania według wynalazku automatycznie ustala wartość napięcia odniesienia Vref(3) zależnie od własności danego akumulatora, w tym przypadku dla akumulatora X wyższe o około 30 mV, przy podobnej temperaturze dla fig. 11 i 13. Podobnie układ ładowania według wynalazku ustala wartość napięcia odniesienia Vref(3) o około 50 mV niższą dla gorących akumulatorów Y na fig. 12, co jest zgodne ze znaną zależnością temperaturową napięcia odniesienia Vref dla akumulatorów NiCd. Po ustaleniu napięcia odniesienia Vref(b) w punkcie przełączania Z, układ ładowania nadal kontroluje napięcie ¥0 i prąd ładowania tak, że napięcie Vo nigdy nie przekracza wartości napięcia odniesienia Vref(3)· W punkcie przełączania Z, doregulowany prąd wykazuje szybki spadek, a następnie zmniejszanie w odpowiedzi na rozkazy z mikroprocesora. W rezultacie akumulatory są szybko, ale delikatnie ładowane do nasycenia bez znacznego przeładowania, co pokazano na charakterystykach ładowania z fig. 11-13. Zapewniona jest także dobra kontrola temperatury.

Chociaż różne typy akumulatorów i ogniw mają różne współczynniki temperaturowe dla napięcia odniesienia Vref, układ do ładowania według wynalazku jest zdolny do dokładnego ładowania akumulatorów w różnych temperaturach bez konieczności dopasowania się do tego parametru. Układ według wynalazku ładuje akumulator metalowo-wodorkowy czy akumulator NiCd równie dobrze, nawet przy braku identyczności lub braku znajomości różnic własności poszczególnych ogniw.

Sterowanie procesem ładowania jest realizowane przez okresowe przerywanie prądu ładowania, określanie napięcia nieobciążonego akumulatora w ustalonych przedziałach czasu po przerwaniu prądu i porównywanie tego napięcia nieobciążonego akumulatora z napięciem odniesienia charakterystycznym dla początku reakcji przeładowania. Prąd ładowania jest ograniczony do niezbędnej wartości tak, że napięcie nieobciążonego akumulatora nie przekracza wartości napięcia odniesienia.

Baterie i akumulatory mające zastosowanie w wynalazku są typu niklowo-kadmowego NiCd, niklowo-metalowo wodorkowego NiMeH, kwasowo-ołowiowego i zawierają inne chemikalia. Akumulatory te mają różne zastosowania, od małych urządzeń, takich jak golarki, narzędzia bezprzewodowe, telefony przenośne, komputery, zabawki i tym podobne, do baterii trakcyjnych dla wózków jezdniowych widłowych, wózków golfowych i pojazdów elektrycznych.

Przy spodziewanym wzroście niezawodności pojazdów elektrycznych, szybkie i skuteczne ładowanie takich pojazdów jest szczególnie ważnym zastosowaniem z powodu zdarzającej się czasem potrzeby przekroczenia ograniczonego zakresu przez szybkie rozładowanie na drodze przy użyciu pobudzenia elektrycznego. Również przy wolniejszym rozładowaniu pojazdu elektrycznego w domowym miejscu ładowania, jest bardzo ważne, żeby urządzenie ładujące unikało przeładowań, które powodują zmniejszenie trwałości akumulatora. Termin: skuteczne ładowanie jest tutaj użyty dla określenia

172 473 zdolności urządzenia ładującego do automatycznego określenia pojemności dowolnego akumulatora i do kontroli cyklu ładowania tak, żeby osiągnąć maksymalne nasycenie bez znacznych przeładowań.

172 473

FIG 3C F1G.3A FIG 3B

WOLTY °c V 10 (LUB ΤΠ vys

ALTOM

172 473

FIG.4 FIG5

172 473

FIG 9B

>

(M

172 473

ο g

5^0 5 O S TT^-5 X Al 4 Ó

Cu>

172 473

CZAS, t(SEKUNDY) w

3i 2> 3 3 3 3 H Ξ 2, — — — — — — <

172 473

FIG. I

NAPIĘCIE, WOLTY/AKUMULATOR

FIG 2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 9O egz.

Cena 4,OO zł

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób ładowania akumulatorów i baterii przy użyciu funkcji pochodnej napięcia po czasie, w którym ładuje się akumulatory i baterie przy stałym prądzie początkowym ładowania, okresowo przerywa się prąd ładowania, zapewniając okres wyłączenia prądu o ustalonym czasie trwania, próbkuje się napięcie V0 nieobciążonego akumulatora lub baterii, mierzone w ustalonym czasie podczas każdego okresu wyłączenia prądu, wybiera się napięcie odniesienia Vref przeciążenia typowe dla początku reakcji przeciążenia 1 reguluje się prąd ładowania okresowo tak, że V0 nie przekracza Vref, znamienny tym, że zestawia się wartości napięcia V0 nieobciążonego akumulatora lub baterii względem czasu t upływającego od początku ładowania, ustala się przynajmniej charakterystykę pierwszej pochodnej dV₍₎/dt dla V0 i wykrywa się na niej punkty charakterystyczne pierwszej pochodnej oraz wybiera się napięcie odniesienia Vref przeciążenia jako funkcję co najmniej jednego z punktów charakterystycznych pierwszej pochodnej.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ustala się charakterystykę drugiej pochodnej d²V₍₁/dt dla V0 i wykrywa się na niej maksymalny punkt charakterystyczny drugiej pochodnej.
3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że wybiera się punkty charakterystyczne pierwszej i drugiej pochodnej spośród grupy, w której określa się punkt pierwszego przegięcia I(1) usytuowany w minimum charakterystyki pierwszej pochodnej dV0/dt, punkt K maksymalnej krzywizny usytuowany w maksimum charakterystyki drugiej pochodnej d2V0/dt2, punkt drugiego przegięcia I(2) usytuowany w maksimum charakterystyki pierwszej pochodnej dV0/dt i funkcję co najmniej dwóch z powyższych punktów.
4. Urządzenie do ładowania akumulatorów i baterii zawierające zasilacz do dostarczania stałego początkowego prądu ładowania do akumulatorów i baterii, dołączony do układu tworzenia funkcji pochodnej napięcia po czasie akumulatorów i baterii, dołączonego do przekaźnika do okresowego przerywania prądu ładowania, który jest dołączony do układu próbkowania napięcia V0 nieobciążonego akumulatora lub baterii, dołączonego do układu selekcji napięcia odniesienia Vref przeciążenia, który jest dołączony do układu regulacji prądu ładowania, znamienne tym, że zawiera mikroprocesor (5) zawierający układ zestawienia wartości (V0) dołączony do akumulatora (1), rezystora bocznikującego (2) włączonego pomiędzy akumulator (1) i zasilacz (3) oraz do przekaźnika (4), przy czym mikroprocesor (5) zawiera układ ustalania przynajmniej charakterystyki pierwszej pochodnej (dVo/dt) dla (V) i wykrywania na niej punktów charakterystycznych oraz układ selekcji napięcia odniesienia (Vref) przeciążenia w funkcji co najmniej jednego z punktów charakterystycznych pierwszej pochodnej.
5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że mikroprocesor (5) zawiera układ ustalania charakterystyki drugiej pochodnej (d²V„dt²) dla (¥0) i wykrywania na niej maksymalnego punktu charakterystycznego drugiej pochodnej.
6. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że mikroprocesor (5) zawiera układ ustalania punktu pierwszego przegięcia (I/1/) usytuowanego w minimum charakterystyki pierwszej pochodnej (dV„/dt).
7. Urządzenie według zastrz. 5, znamienne tym, że mikroprocesor (5) zawiera układ ustalania punktu (K) maksymalnej krzywizny, usytuowanego w maksimum charakterystyki drugiej pochodnej.

172 473