SE430192B - Forfarande och anordning for laddning av ett ackumulatorbatteri - Google Patents

Description

'8201536_':3 10 15 20 25 ao = 2 fordon, användër sig av en laddning av stk. WA-karakteristik.

Denna laddningsmetod innebär, att laddningsspänningen, dvs. 7 spänningen över batteriet, mätes och laddningen får fortgå som en s.kÄ huvudladdning, tills batterispänningen uppnår ett visst förutbestämt värde, vanligtvis ca 2,4 V per cell, vilket anses vara'det spänningsvärde vid vilket batteriet börjar att gasa. Därefter fortsättes laddningen som en s.k. efterladd- ning under en förutbestämd tid. Det inses dock, att man ej heller på detta sätt kan erhålla någon helt tillfredsställande säkerhet om att'batteriet är fulladdat och ej heller utsatts för någon skadlig överladdning, då laddningen avbrytes efter nämnda förutbestämda tid.' U För att uppnå en ytterligare förbättring i detta avseende V har det därför utveok1ats_laddningsaggregat, vid vilka den ovan nämnda s.k. efterladdningen avbrytes först då det kon- stateras,att laddningsspänningen eller laddningsströmmen an- , tagit ett väsentligen konstant värde, vilket anses innebära, att batteriet blivit fulladdat. Ej heller detta förfarande ger emellertid i praktiken ett tillfredsställande resultat, eftersom såväl laddningsspänningen som laddningsströmmen varie- rar mycket långsamt under den sista delen av laddningsför- loppet, varför det är mycket svårt att med tillfredsställande .noggrannhet fastställa, huruvida laddningsspänningen respek- tive laddningsströmmen har uppnått ett konstant värde. Detta är i synnerhet fallet vid användning av en laddningsströmkälla av ovan nämnt slag, eftersom vid denna laddningsströmmen och laddningsspänningen väsentligt påverkas av eventuella varia- tioner i den matande nätspänningen. För att eliminera denna nackdel har man försett vissa kända laddningsaggregat med anordningar för automatisk kompensering för variationer i nät- spänningen, så att laddningsspänningen och laddningsströmmen blir mindre känsliga för sådana variationer. Detta är emeller- tid dyrt och i praktiken svårt att åstadkomma med tillräcklig -noggrannhet. 35, Vid båda de ovan nämnda laddningsmetoderna med WA- karakteristik kan det vidare förekomma, att man efter den s.k. huvudladdningen och före den s.k. efterladdningen kopplar om iaadningsströmkällan till en lägre strömnivå, sk. wowA- 10 15 20 25 30 35 8201536-5 3 karakteristik. Man erhåller härigenom en lägre laddningsström under sista delen av laddningsförloppet än vad som annars skulle vara fallet, men i princip medför det ingen ökad möj- lighet att med tillfredsställande noggrannhet kunna avbryta laddningen i rätt tid, dvs. då batteriet blivit fulladdat och ännu ej utsatts för någon överladdning. Ändamålet med föreliggande uppfinning är därför att åstad- komma ett förbättrat förfarande vid laddning av ackumulator- batterier, medelst vilket det är möjligt att med väsentligt större säkerhet och noggrannhet uppnå, att batteriet blir full- laddat och varken underladdat eller överladdat. Uppfinningen avser även en motsvarande anordning för laddning av ackumula- torbatterier. _ Det kännetecknande för uppfinningen framgår av bifogade patentkrav.

I det följande skall uppfinningen närmare beskrivas i anslutning till bifogad ritning, i vilken ' fig. l är ett diagram, som illustrerar det typiska för- loppet för laddningsströmmen och laddningsspänningen vid ladd- ning av-ett ackumulatorbatteri med användning av en laddnings- strömkälla med fallande ström-spänningsdqmekteristik; och fig. 2 visar ett förenklat blockschema över en såsom exempel visad laddningsanordning enligt uppfinningen.

Diagrammet i fig. 1 visar såsom ett typiskt exempel ladd- ningsspänningens V och laddningsströmmens I förlopp som funk- tion av tiden t under laddning av ett ackumulatorbatteri.

Spänningen V är angiven i volt per cell, medan strömmen I är angiven i ampere. Som synes, ändras såväl laddningsspänningen V som laddningsströmmen I mycket långsamt under den sista delen av laddningsförloppet, då batteriet är fulladdat. Följ- aktligen är det mycket svårt att avgöra, när laddningen bör avbrytas för att varken underladdning eller överladdning skall uppstå, genom att försöka bestämma när laddningsspänningen eller laddningsströmmen antager ett tillnärmelsevis konstant värde. I synnerhet är detta fallet eftersom såväl laddnings- strömmens som laddningsspänningens värde kan variera avsevärt i beroende av variationer i den laddningsströmkällan matande nätspänningen, ifall laddningsströmkällan exempelvis utgöres "s2o1s36~z 10 15 20 '25 30 35 = "_ _ av en enkel läckfältstransformator med efterföljande likrik- tare utan nâgra speciella anordningar för kompensering för variationer i nätspänningen. Om en tillnärmelsevis konstant laddningsspänning eller laddníngsström användes som kriterium på fullbordad laddning, uppstår sålunda en mycket stor osäker- het, som_kan resultera i såväl underladdning som överladdning av batteriet., Det anses, att det övre "knäet" i laddningsspänningens V kurva i huvudsak motsvarar den tidpunkt, vid vilken batteriet tillförts en lika stor strömmängd, antal amperetimmar, som . tidigare tagits ut ur batteriet. Man önskar dock fortsätta laddningen förbi denna punkt, för att en utjämning av ladd- ningen av batteriets olika celler skall erhållas. l För att undvika de i det föregående diskuterade nackde- larna vid tidigare använda förfaranden för laddning av acku- mulatorbatterier förfar man enligt uppfinningen på så sätt, att man fortlöpande mäter laddningsströmmen I och integrerar denna från laddningens början, så att man i varje ögonblick av laddningsförloppet har kännedom om det totala antal ampere-- timmar som tillförts batteriet från laddningens början. Vidare mätes även laddningsspänningen V och dess ändringshastighet _ bestämmes på grundval av denna mätning. Detta kan exempelvis ske, genom att laddningsspänningens värden vid på varandra med regelbundna tidsintervall, exempelvis av storleksordningen.- l0-20 minuter, följande tidpunkter jämföres. På detta sätt fastställes det maximala.värdet för laddningsspänningens V ändringshastighet, vilket alltså uppträder vid spänningskur- Mans V brantaste del, ungefär vid tidpunkten Tl i fig. 1.

Sedan detta maximala värde för laddningsspänningens V ändringshastighet uppnåtts, fortsätter man att mäta laddnings- spänningen och bestämma dess ändringshastighet, tills man når den tidpunkt under laddningen, vid vilken laddningsspänningens ändringshastighet sjunkit till en förutbestämd andel av dess tidigare fastställda maximala värde. Denna andel kan ligga inom intervallet ca 25-60 % och företrädesvis vid ca H0-50 % och väljes så, att den erfarenhetsmässigt kommer att motsvara det övre "knäet" på laddningsspänningskurvan V. Denna tid- punkt är i fig. l markerad med T2. Det inses, att dessa be- 10 15 20 25 30 35 a2o1sz6-z 5 V " »i stämningar av laddningsspänningens V maximala ändringshastig- het och av den tidpunkt, vid vilken laddningsspänningens ändringshastighet sjunkit till en andel motsvarande exempelvis 40-50 % av det maximala värdet, kan genomföras med förhållande- vis stor noggrannhet, eftersom laddningsspänningens ändrings-' hastighet under denna del av laddningsförloppet fortfarande är förhållandevis stor. Genom bestämningen av tidpunkten T2 på detta sätt har man även bestämt den tidpunkt under ladd- ningen, vid vilken batteriet kan anses ha tillförts i huvudsak samma strömmängd, dvs. samma antal amperetimmar, som tidigare tagits ut från batteriet.

Härefter förfares enligt uppfinningen på så sätt, att laddningen får fortsätta, tills man efter tidpunkten T2 till- fört batteriet ett ytterligare antal amperetimmar, som motsva- rar en förutbestämd andel av det antal amperetimmar som till- förts batteriet från laddningens början fram till tidpunkten T2. Denna andel ytterligare tillförda amperetimmar kan ligga inom intervallet 5-20 % och uppgå företrädesvis till ca 10-15 % och väljes så, att den ger den önskade laddningsutjämningen mellan batteriets olika celler. Den tidpunkt vid vilken batte- riet tillförts detta ytterligare antal amperetimmar är i fig. l såsom exempel markerad med T3 och vid denna tidpunkt avbrytes laddningen.

Medelst förfarandet enligt uppfinningen uppnås med mycket större säkerhet än vid tidigare kända laddningsförfaranden, att batteriet blir fulladdat utan risk för vare sig underladdning eller överladdning.

Med fördel startas bestämningen av laddningsspänningens V ändringshastighet först sedan laddningsspänningen uppnått ett värde av ca 2,3-2,4 volt per cell, eftersom laddningsspän- ningen dessförinnan kan uppvisa ganska oregelbundna variationer.

Om man vid ett laddningsförfarande enligt uppfinningen önskar att på i och för sig tidigare känt sätt sänka laddnings- strömmens nivå till ett lägre värde efter den första delen av laddningsförloppet, genomförs denna sänkning av laddnings- strömmen lämpligen samtidigt med att man börjar bestämma ladd- ningsspänningens ändringshastighet, exempelvis vid en ladd- ningsspänning av 2,3 volt per cell. _ 8201 556 *å 10 15 20 25 30 35 .6 Sedan batteriet laddats på ovan beskrivet sätt, kan det -hållas på underhållsladdning enligt någon lämplig, i och för sig känd metod, exempelvis genom att laddningsströmkällan åter- kopplas in kortvarigt, exempelvis under en tid av 2 minuter, så snart batterispänningen sjunker ned till ett värde av exem- pelvis ca 2,17-2,20 volt per cell. _ Pig. 2 visar ett förenklat blockschema över en laddnings- anordning enligt uppfinningen för laddning av ackumulatorbatte- rier i enlighet med det i det föregående beskrivna förfarandet.

Laddningsanordningen har anslutningsklämmor l för anslut- ning till ett växelspänníngsnät och anslutningsklämmor 2 för anslutning till det batteri som skall laddas. Laddningsström- källan utgöres av en-effekttransformator 3, exempelvis av läck- fältstyp, med efterföljande likriktare 4 och kan medelst en inkopplingsautomatik 5 anslutas till respektive kopplas bort från växelspänningsnätet. Laddningsanordningen innefattar vida- re organ 6 för mätning av den matande nätspänningen, organ 7 för mätning av laddningsströmmen och organ 8 för mätning av laddnings- eller batterispänningen. Mätorganen 6, 7 och 8 är anslutna till A/D-omvandlare 9, 10 resp. ll, som avger mot mät- värdena svarande digitala signaler till en digital styr- och beräkningsenhet 12, som exempelvis kan utgöras av en mikropro- cessor. 2 p Styr- och beräkningsenheten l2 innefattar en klocka 13, som styr en strömberäkningskrets 14 och en spänningsberäknings- krets 15. Strömberäkningskretsen tillföres laddningsströmmens .värde från strömmätningsorganen 7 och A/D-omvandlaren l0 och är utformad_att integrera detta värde, så att det under ladd- níngens förlopp ständigt finnes tillgång till uppgift om det totala antal amperetimmar som tillförts batteriet från ladd-2 ningens början. Spänningsberäkningskretsen lå tillföres ladd- ningsspänningens värde från spänningsmätorganen 8 och A/D- .omvandlaren ll och är så utformad, att den sedan laddnings- Kspänníngen uppnått ett förutbestämt värde, exempelvis 2,3 volt per cell, bestämmer laddningsspänningens ändringshastighet, exempelvis genom att jämföra laddningsspänningens värden vid på varandra med regelbundna tidsintervall följande tidpunkter.

Spänningsberäkningskretsen 15 fastställer på detta sätt det , I 10 15 20 25 30 35 8201 5-36 - 3 7 \ 4 maximala värdet för laddníngsspänningens ändringshastighet och fastställer vidare den tidpunkt, då laddningsspänningens ändringshastighet åter sjunkit till en förutbestämd andel, exempelvis H0-50 %, av det maximala värdet. Vid denna tid- punkt, som i diagrammet i fig. l är markerad med T2, avger spänningsberäkningskretsen 15 en signal till en styrkrets 16, vilken.från strömberäkningskretsen lä även tillföres informa- tion om det från laddningens början totalt tillförda antalet amperetimmar. Styrkretsen 16 är så utformad, att den efter signalen från spänningsberäkningskretsen 15 vid tidpunkten T2 tillser, att batteriet tillföres ytterligare ett antal ampere- timmar, som utgör en förutbestämd andel, exempelvis ca l0-15 %, av det antal amperetimmar som tillförts batteriet fram till tidpunkten T2. När detta skett, påverkar styrkretsen 16 auto- matiskt inkopplingsautomatiken 5, så att spänningsmatningen till effekttransformatorn 3 brytes och laddningen av batteriet därmed avslutas. i Spänningsberäkningskretsen 15 är även tillförd informa- tion om nätspänningen från spänningsmätorganen 6 och A/D- omvandlaren 9, så att spänningsberäkningskretsen 15 vid be- räkningen av laddningsspänningens ändringshastighet kan kom- pensera för variationer i nätspänningen. Härigenom kan ladd- níngsspänningens ändringshastighet beräknas med större nog- grannhet.

Styr- och beräkningsenheten 12 innefattar vidare av klockan 13 styrda räknekretsar 17, 18 och 19 för beräkning av den totala laddningstiden, huvudladdningstiden respektive efterladdningstiden. Räknekretsarna 18 och 19 är därvid även påverkade från spänningsberäkningskretsen 15 på sådant sätt, att räknaren l8 beräknar den s.k. huvudladdningstiden fram till den tidpunkt, då laddningsspänningen uppnår ett värde av exempelvis 2,3 volt per cell, och räknaren 19 beräknar den efterföljande s.k. efterladdningstiden.

Laddningsanordningen innefattar vidare en presentations- enhet 20, som är tillförd information från kretsarna 14, 15, l7,al8 och 19 i styr- och beräkningsenheten 12 och som sålunda kan presentera antalet tillförda amperetimmar, laddningsspån- ningens värde, den totala laddningstiden, huvudladdningstiden 8201536-3 8 , 'H och efterladdningstíden. Naturligtvis kan även andra värden _presenteras på liknande sätt, såsom exempelvis laddningsström- amens storlek.

Laddningsanordningen enligt uppfinningen kan naturligtvis 5 >även omfatta andra, i och för sig konventionella komponenter och funktioner, exempelvis säkerhetskretsar, som avbryter ladd- Kp ningen-exempelvis vid kortslutning.i batteriets celler och andra onormala tillstånd.

Claims (10)

1. 8,120 '1 536 ~ 3 Patentkrav l. Pörfarande för laddning av ett ackumulatorbatteri med an- vändning av en laddníngsströmkälla, som avger en med ökande batterispänning avtagande laddningsström, k ä n n e - t e c k n a_t av att laddningsströmmen mätes kontinuerligt från laddningens början, varjämte strömvärdet integreras, så att man fortlöpande äger kännedom om det under den förflutna delen av laddningen totalt tillförda antalet amperetimmar; laddningsspänningen mätes och dess ändringshastighet be- stämmes; det maximala värdet för laddningsspänningens ändringshas- tighet fastställes; det fastställes vid vilken tidpunkt laddningsspänningens ändringshastighet sjunkit till en förutbestämd andel av dess nämnda maximala värde; och från nämnda tidpunkt laddningen fortsättes så länge, att batteriet tillföres ett ytterligare antal amperetimmar, som utgör en förutbestämd andel av det totala antal amperetimmar batteriet tillförts före nämnda tidpunkt, varefter laddningen avbrytes.
2. 2. Förfarande enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t a v att nämnda förutbestämda antal av det maximala värdet för ladd- ningsspänningens ändringshastighet ligger inom intervallet 25-60 %, företrädesvis 40-50 %.
3. 3. förfarande enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda förutbestämda andel av det före nämnda tidpunkt totalt tillförda antalet amperetimmar ligger inom intervallet 5-20 %, företrädesvis 10-15 %.
4. 4. Förfarande enligt något av kraven 1 - 3, k ä n n e - t e c k n a t av att bestämningen av laddningsspänningens ändringshastighet påbörjas först då laddningsspänníngen nått en nivå av ca 2,3-2,4 volt per cell.
5. 5. Pörfarande enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att innan bestämningen av laddningsspänníngens ändringshastig- het påbörjas, sänkes laddningsströmmen till en lägre nivå. à2ø1s3e-s 10 ;
6. 6. Pörfarande enligt något av kraven l 3 5, k ä n n e - t e c k n a t av att_den laddningsströmkällan matande nät- spänningen mätes och att vid bestämningen av laddníngsspän- ningens ändríngshastighet en kompensering vidtages med hänsyn till inverkan från variationer i nätspänningen.
7. 7. Anordning för laddning av ackumulatorbatterier, inne- fattande en laddningsströmkälla (3, 4), som avger en med sti- gande batterispänning avtagande laddningsström, k ä n n e - t e c k n a d av att den vidare innefattar organ (7, 8) för mätning av laddningsströmmen och laddningsspänningen, och en beräknings- och styrenhet (12), som är tillförd de mot ladd- ningsströmmen och laddningsspänningen svarande mätvärdena från nämnda mätorgan, varjämte denna beräknings- och styrenhet innehåller en tidmätningskrets¿(l3) för mätning av den sedan laddningens början förflutna tiden¿ en strömberäkningskrets (14) som är tillförd nämnda strömmätvärde och styrd från nämnda tidmätningskretss(l3) och utformad att beräkna det batteriet från laddningens början totalt tillförda antalet amperetimmar, en spänningsberäkningskrets (l5) som är tillförd nämnda spän- ningsmätvärde och styrd från nämnda tidmätningskrets (13) och .utformad att beräkna laddningsspänningens ändringshastighet och fastställa dess maximala värde och den tidpunkt, då ladd- ningsspänningens ändringshastighet åter sjunkit ned till en förutbestämd andel av dess fastställda maximala värde, och en styrkets (16) som är styrd från nämnda strömr och spännings- beräkningskretsar (lä, 15) och utformad att avbryta laddnings- förloppet, då efter den nämnda, av spänningsberäkningskretsen -(15) fastställda tidpunkten det batteriet totaltztillförda antalet amperetimmar överstiger det fram till nämnda tidpunkt tillförda antalet amperetimmar med en förutbestämd andel.
8. 8. Anordning enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a d av att spänningsberäkníngskretsen (15) är utformad att starta beräkningen av läddningsspänningens ändringshastighet, först sedan laddningsspänningen uppnått ett förutbestämt värde.
9. 9. Anordning enligt krav 7 eller 8, k ä n n e t e c k n a d av att spänningsberäkningskretsen (15) är utformad att beräkna laddningsspänningens ändringshastighet genom jämförelse mellan 81201536-3 ' ll u laddningsspänningens värden vid efter varandra med regelbundna tidsintervall följande tidpunkter.
10. 10. Anordning enligt något av kraven 7 - 9, k ä n n e - t e c k n a d av att den innefattar organ (6) för mätning av laddningsströmkällans (3, 4) matningsnätspänning, varvid detta mätvärde tillförts spänningsberäkningskretsen (15), vilken är utformad att vid beräkningen av laddningsspänningens ändringe- hastighet kompensera för variationer i matningsnätspänningen.