SE465242B - Saett och anordning foer laddning av ett batteri - Google Patents

Description

465 242 _2_ teri med ett antal celler, t ex NiCd-celler, som ger en fullödig laddning av batteriet på betydligt kortare tid än vad som hittills varit möjligt vid både rumstemperatur och särskilt lägre temperaturer,_samt en anordning för genomfö- rande av detsamma.

Denna uppgift löses enligt föreliggande uppfinning vid det inledningsvis angivna sättet genom att i detsamma tillämpa kännetecknen i ett eller flera av sättskraven. En anordning för genomförande av sättet enligt föreliggande uppfinning ges kännetecknen i ett eller flera av anordningskraven.

Den huvudsakliga fördelen med sättet och anordningen enligt föreliggande uppfinning ligger i möjligheten till en fullö- dig laddning av ett batteri på betydligt kortare tid än vad som hittills varit möjligt utan någon som helst risk för oönskad tryckhöjning i"de enskilda cellerna p g a gasbild- ning. Ehuru en laddare enligt föreliggande uppfinning kan synas förhållandevis komplicerad, motiveras utan tvekan komplexiteten hos densamma av de utomordentliga fördelar, som uppnås med laddaren, som ger i det närmaste 50% kortare laddningstider och mer än kända laddare och detta utan någon som helst risk för oönskad gasbildning i cellerna. Genom sättet enligt föreliggande uppfinning tages dessutom hänsyn till de enskilda cellernas förmåga att motta laddningsener- gi, varigenom samtliga celler i ett batteri ges huvudsakli- gen samma laddningsnivå oavsett om någon eller några av cel- lerna har blivit fulladdad före någon eller några av de and- ra.

Ett utföringsexempel av föreliggande uppfinning kommer i det följande att beskrivas närmare under hänvisning till bifoga- de ritningar. Fig 1A-lC visar ytterst schematiska och icke skalenliga förlopp i diagramform för åskådliggörande av en utföringsform av sättet enligt föreliggande uppfinning. Fig 2 visar ett blockschema över en anordning för genomförande av sättet enligt föreliggande uppfinning. Fig 3 visar ett kopplingsschema över ett prototypslutsteg för en batterilad- dare enligt föreliggande uppfinning. Fig 4 visar ett kopp- lingsschema över en prototyp-CPU-enhet för en batteriladdare _3_ enligt föreliggande uppfinning med ett slutsteg enligt fig 2. Fig 5-8 visar diagram över laddning av batterier enligt föreliggande uppfinning.

Det ifrågavarande utföringsexemplet av sättet enligt före- liggande uppfinning kommer nu att belysas under hänvisning till fig lA-1C. Det skall härvid påtalas, att de i dessa figurer 1A-lC visade förloppen på intet sätt är skalenliga eller exakta utan tjänar till underlättnad av förståelsen av sättet enligt föreliggande uppfinning. Detta kommer att bli mera uppenbart vid betraktande av fig 1A-lC i belysning av de exemplifierade värden på spänning, ström och tid, som kommer att anges i den följande texten.

I den följande beskrivningen avses med uttrycket "vilospän- ning" den vid en viss tidpunkt över ett batteris anslut- ningspoler mätta spänningen, då det icke flyter någon ström till eller från batteriet. Med uttrycket "polspänning" avses den vid en viss tidpunkt över batteriets anslutningspoler uppmätta spänningen, då ström flyter till eller från batte- riet. Med EMK avses vilospänningen efter en förhållandevis lång vilotid på mer än 10 min. Detta betraktas även som ett stabilt läge för batteriet.

Efter inkoppling av ett batteri, som skall laddas och som innefattar exempelvis tio NiCd-celler på vardera l,2V, vilka är seriekopplade för åstadkommande av ett l2V batteri, till en batteriladdare av den i fig 2 schematiskt visade typen kommer anordningen att mäta batteriets vilospänning U3. Så snart som batteriet påtryckes en spänning för drivning av en för laddning av batteriet avsedd ström genom detsamma på exempelvis 10A stiger polspänningen omedelbart med värdet U2 för att därefter stiga långsammare till värdet Ul. Spän- ningsstegringen U2, som även kan benämnas offset-spänning, härrör med största sannolikhet huvudsakligen från spännings- fall över tilledningar och batteriets inre resistans. Spän- ningen Ul kan därför fastställas till ett spänningsvärde, som skall vara huvudsakligen lika med en NiCd-cells s k kri- tiska spänning på l,52V eller l,55V i rumstemperatur. Vid eller över denna kritiska spänning föreligger risk för gas- 465 242 _4_ bildning i cellen och denna kritiska spänning fastställes rent kemiskt. Värdet får dock icke betraktas såsom ett abso- lutvärde, eftersom det varieras något med omgivningstempera- turen och därmed temperaturen i själva cellen.

Spänningsvärdet Ul utgör således den kritiska spänningen adderad med spänningsfallet U2 över tilledningar och batte- riets inre resistans. I många fall visar sig spänningsfallet U2 vara ungefär O,1V, varför Ul blir ungefär l,62V-1,65V.

Detta spänningsvärde eller denna polspänning Ul får icke överskridas efter ett spänningstillslag, vilket belyses i fig 1A genom att spänningstillslaget avbrytes så snart som spänningen når nivån Ul. Efter spänningsavbrottet sjunker spänningen till en vilospänning U6, som är något högre än vilospänningen U3 före tidsperioden tl. Spänningen för driv- ning av laddningsström är tillslagen under maximalt tidspe- rioden t4 på exempelvis 1 s medan avbrottet uppgår till tidsperioden t2 på exempelvis 100 ms. Under en viss fast- ställd tidsperiod tl sker ett antal-nl till- och frånslag av spänningen för drivning av laddningsström genom batteriet och i början av varje tillslag sker mätning av vilospänning- en U6 och spänningsfallet U2 för eventuell ändring av spän- ningsvärdet Ul. Om tidsperioden t4 på exempelvis l s har överskridits utan att spänningsnivån Ul har nåtts avbrytes ändå spänningstillslaget.

Om det tillåtna spänningsvärdet U1 nås mycket snabbt, exem- pelvis flera gånger inom en bråkdel av l min exempelvis inom några hundratal ms sker en reducering av laddningsströmmen omgående. Laddningsströmmen sänkes i nivåer om exempelvis 32 st eller bit, vilket beror på den digitala uppbyggnaden av anordningen för genomförande av sättet.

Antalet till- och frånslag under tidsperioden tl på l min registreras i ett register och om ett visst antal överskri- ' des sänkes laddningsströmmen och om spänningsvärdet Ul icke nås under ett antal till- och frånslag under tidsperioden tl sker en ökning av laddningsströmmen. Ju mindre laddnings- strömmen är desto fler frånslag p g a att spänningsnivån Ul nås accepteras. Vid maximal laddningsström på 10A accepteras 465 242; ..5.. exempelvis 40 till- och frånslag under tidsperioden tl medan ända upp till 150 till- och frånslag accepteras då ladd- ningsströmmen är liten, exempelvis någon eller några ampere, medan antalet till- och frånslag med maximal tidsperiod t4 eller däröver är enbart 30 oavsett storleken på laddnings- strömmen.

Efter varje tidsperiod tl sker i enlighet med fig lC en urladdning av batteriet med en urladdningsström I2 på exem- pelvis O,l5OA under en tidsperiod t3 på ca 2 s, varefter vilospänningen U3 åter mätes och laddningen fortsätter i enlighet med fig lA.

Därefter fortgår laddningen i enlighet med fig lB tills vilospänningen U3 visar benägenhet att sjunka från ett max- värde. Då U3 passerat sitt maxvärde eller knäet i fig lB avbrytes det normala laddningsförloppet under en tidsperiod t5 på exempelvis på 15 s, då vilospänningen U7 mätes. Efter en ytterligare tidsperiod t6 på 5-LO min mätes vilospänning- en U4, som då är något lägre än vilospänningen U7, och beräknas differensen U5 mellan vilospänningen U7 tidsperio- den t5 efter laddningsavbrottet och vilospänningen U4 efter tidsperioden t6. Spänningsnivån Ul reduceras med denna spän- ningsskillnad U5, varefter laddningen fortsättes på samma sätt som tidigare, tills det uppträder ett nytt knä i vilo- spänningen, då förloppet upprepas. Denna sistnämnda laddning betraktas såsom en efterladdning för att så många celler som möjligt skall laddas maximalt utan att någon av de fulladda- de cellerna tar skada. Efter det att skillnadsspänningen U5 är mycket liten eller helt enkelt O sker enbart en under- hållsladdning av batteriet, under vilken spännings- och strömvärden anpassar sig på ett korrekt sätt efter varandra.

Denna underhållsladdning pågår så länge batteriet är anslu- tet till laddaren.

I fig 5-8 visas exempel på laddning av olika batterier, var- vid det skall påpekas, att laddningen påbörjas i samtliga fall med maximal ström på 32 bits motsvarande 10A. EMK-kur- van skall under början av laddningen betraktas som vilospän- ningen U3, varvid själva EMK:n erhålles först efter ladd- 465 242 _5_ ningen då batteriet hunnit stabilisera sig efter, t ex 10-60 min.

Detta sätt kan realiseras med den i fig 2 visade anordning- en, som styres medelst en mikroprocessor 1, som kan innefat- ta en CPU-enhet ICl/68HCll och ett antal ytterligare IC- kretsar, t ex IC3, som är en EPROM-krets för lagring av . själva programmet för utförande av det ovan beskrivna sättet och ett exempel på en sådan visas i fig 4. Det skall dock påtalas att enheten är en prototyp och innehåller en del funktioner, som eventuellt kan utlämnas för eneffektiv bat- teriladdning. Mikroprocessorn 1 har ett antal ströminställ- ningsutgångar, vilka går till en digital/analog-omvandlare 2, en utgång som bestämmer om laddning skall ske, en utgång som bestämmer om urladdning skall ske och två mätingångar för uppmätt ström genom batteriet och uppmätt spänning över batteriet. Strömmen mätes med en OP-förstärkare 3 via ett motstånd Rl, medan spänningen mätes medelst en 0P-förstärka- re 4. Från omvandlaren 2 erhålles en analog signal, som motsvarar den laddningsström, som det är önskvärt att driva igenom batteriet och som går till batteriet via en 0P-för- stärkare 5, en OCH-grind 6 och en transistor Tl. 0P-förstär- karen 5 erhåller en strömåterkoppling via OP-förstärkaren 3.

OCH-grinden 6 släpper igenom en signal till transistorn Tl under förutsättning att den har erhållit en signal från OP- för-stärkaren 5 och en signal från OCH-grinden 7, som lämnar signal om det finns en signal på laddningsutgången från mik- roprocessorn 1 och en signal, som motsvarar att det icke finns någon signal på urladdningsutgången via invertern 8, vars utgång är hög, då urladdningsutgången är låg. Då OCH- grinden 6 lämnar en signal till transistorn Tl blir denna ledande och leder en laddningsström genom batteriet, mot- ståndet Rl och en induktionsspole L, till jord, och transis- -torn T1 blir oledande går laddningsströmmen genom batteriet, motståndet Rl, induktionsspolen L och en diod Dl. Induk- tionsspolen L utjämnar laddningsströmmen genom batteriet.

Urladdning av batteriet, vilken sker efter varje tidsperiod tl på 1 min beordras av mikroprocessorn 1, vars urladdnings- utgång i så fall blir hög för backspänning av en diod D2,så _7_ 465 242 att transistorn T2 blir ledande av utsignalen från 0P-för- stärkaren 10 via ett motstånd R3.Då transistorn T2 blir ledande, dras en urladdningsström genom batteriet via mot- stånden Rl och R2.

Till batteriets pluspol är ansluten en separat laddningspän- ningskälla +24V. Ett sådant spänningsaggregat kan vara av konventionell typ och skall kunna ge önskad ström på 10 A och även mer, då stora batterier skall laddas,eftersom det synes vara av vikt att i inledningen av laddningen av ett batteri skall laddningsströmmen vara stor. Vid laddning av batterier på 0,5 Ah var vid försök med föreliggande uppfin- ning laddningsströmmen i inledningen 10 A och minskades därefter relativt snabbt till ett ringa värde, såsom framgår i de i fig 6-8 exemplifierade laddningarna. Begränsningar i försöksapparaturen gjorde att laddningsströmmen i försöket enligt fig 8 blev begränsad till 10 A.

I de i fig 3 och 4 visade scheman är de med samma referens- beteckning utmärkta punkterna hopkopplade med varandra och spänningsingångarna utan någon direkt spänningsangivelse är kopplade till ett särskilt nätaggregat för tillförsel av laddningsströmmen. För en fackman på området torde det icke föreligga några som helst problem med utläsningen av de två olika schamanen efter att ha tagit del av den föreliggande funktionsbeskrivningen.

I denna beskrivning och i fig 1 förekommer flera olika beteckningar U3, U4, U6 och U7 på Vilospänningen, som är den över batteriets poler vid en viss tidpunkt uppmätta spän- ningen, då det icke flyter någon ström till eller från bat- teriet. Vilospänningen U3 mätes mellan de fastställda tids- perioderna tl och detta strax före ett spänningstillslag och därmed i slutet av M1, i vilken tidsperiod urladdningen sker. Vilospänningen U7 mätes efter tidsperioden t5 och l5s och Vilospänningen U4 mätes efter tidsperioden t6 på 5-10 min och subtraheras från Vilospänningen U7 för erhållande av spänningsskillnaden U5. Vilospänningen U6 är den i tidspe- rioden tl uppmätta vilospänningen.

Claims (12)

465 242 _ 1 PATENTKRAV

1. Sätt att reglera laddning av batterier med ett antal cel- ler, t ex NiCd-celler, genom att batteriet kopplas till en batteriladdare för drivning av en ström genom batteriet för laddning av detsamma, k ä n n e t e c k n a t därav, att i början av spänningstillslag för drivning av strömmen genom batteriet mätes batteriets polspänning för fastställning av spänningsfallet över tilledningar och inre resistans hos batteriet genom att den uppmätta polspänningen reduceras med batteriets uppmätta vilospänning och att storleken på ström- men genom batteriet regleras på ett sådant sätt, att pol- spänningen stiger till ett medgivet spänningsvärde som huvudsakligen motsvarar den för gasbildningsrisk i cellerna föreliggande spänningen adderad med sagda spänningsfall.

2. Sätt enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a t därav, att spänningen för drivning av ström genom batteriet slås till och från flera gånger under en fastställd tidspe- riod.

3. Sätt enligt patentkravet 2, k_ä n n e t e c k n a t därav, att strömmen genom batteriet minskas om sagda spän- ningsvärde överskrides vid ett antal spänningstillslag under den fastställda tidsperioden och ökas om sagda spänningsvär- de underskrides vid ett antal spänningstillslag under den fastställda tidsperioden.

4. Sätt enligt patentkravet 3, k ä n n e t e c k n a t därav, att antalet överskridanden och underskridanden registreras för ändring av strömmen genom batteriet efter ett visst antal inom den fastställda tidsperioden och att strömmen genom batteriet minskas efter ett färre antal över- skridanden ju större sagda ström är och ökas efter ett och samma antal underskridanden. .

5. Sätt enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a t därav, att strömmen genom batteriet minskas omgående efter ett antal överskridanden inom tidsperioden för ett och samma spänningstillslag. 465 2422 _9_

6. Sätt enligt patentkraven 3 - 4, k ä n n e t e c k n a t därav, att efter den fastställda tidsperioden urladdas bat- teriet med en liten urladdningsström under en viss tidspe- riod, varefter batteriets vilospänning mätes inför den fort- satta laddningen.

7. Sätt enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t därav, att batteriets laddningsnivå fastställes i relation till den uppmätta vilospänningen, som under laddningen sti- ger till ett maxvärde och därefter under fortsatt laddning sjunker åter för att småningom stabilisera sig på ett önskat sätt.

8. Sätt enligt patentkraven 1 och 7, k ä n n e t e c k n a t därav, att en viss tidsperiod efter vilospänningens maxvärde matas en så stor ström genom batteriet att den vid varje spänningstillslag uppnådda spänningen överensstämmer huvud- sakligen med det medgivna spänningsvärdet reducerat med skillnaden mellan vilospänningen före tidsperioden och vilo- spänningen efter tidsperioden.

9. Sätt enligt patentkravet 8, k ä n n e t e c k n a t därav, att laddningen fortsättes tills förändringen hos vilospänningen blir frånsebar.

10. Anordning för genomförande av sättet enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d därav, att ett i och för sig för en fackman på området med ledning av sagda sätt uppbyggt CPU-kort, vilket är försett med programminneskretsar och andra styrkretsar, är kopplat till ett slutsteg för den egentliga laddningen av ett därtill anslutet batteri med ett antal celler, t ex lO st l,2V NiCd-celler, som är seriekopp- lade till ett l2V batteri, vilket slutsteg har en D/A-om- vandlare (2) för omvandling av den av CPU-kortet fastställda digitala signalen till en analog strömnivå, en krets (T2) för mätning av spänningen över batteriet och en krets (Tl) för mätning av strömmen genom detsamma, vilka är återkopp- lade till CPU-kortet för påverkan av detsamma. 465 242 _19..

11. ll. Anordning enligt patentkravet 10, k ä n n e t e c k - n a d därav, att en induktionsspole (L) är inkopplad i bat- teriströmladdningskretsen för stabilisering av strömmen genom batteriet till dess toppamplitud.

12. Anordning enligt patentkraven 8 och 9, k ä n n e - t e c k n a d av en transistorstyrd laddningskrets (Tl) och en transistorstyrd urladdningskrets (T2) med var sin grind (5,6) för bestämning av om laddning eller urladdning skall ske.