SI21248A

SI21248A - Postopek in naprava za hitro polnjenje baterije

Info

Publication number: SI21248A
Application number: SI200200157A
Authority: SI
Inventors: Franc Hercog; Karel Flisar
Original assignee: Mikro + Polo Družba Za Inženiring,
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2003-12-31
Also published as: US20050099157A1; JP2005530476A; US7564222B2; SI21248B; CA2489067A1; AU2002343318A1; WO2004001928A1; EP1514337A1

Abstract

Predloženi izum se nanaša na postopek in napravo za hitro polnjenje sekundarnih baterij. Hitro polnjenje se doseže tako, da se enosmerno napajalno pretvori v pulzirajočo napetost, ki se jo vodi na sekundarno baterijo, ki se jo polni. Pulzirajočo napetost se na baterijo dovaja v intervalih okoli 10 mikrosekund z vmesnimi premori od 100 mikrosekund do 10 ms.ŕ

Description

POSTOPEK IN NAPRAVA ZA HITRO POLNJENJE BATERIJE

Predloženi izum se nanaša na postopek in napravo za hitro polnjenje baterije, zlasti za hitro polnjenje baterije od vrste neodvisne sekundarne baterije, pri čemer se sekundarno baterijo polni z električno energijo bodisi iz izmeničnega ali kakšnega drugega omrežja.

Uvodoma navedeni postopek in/ali naprava za polnjenje sekundarne baterije je sicer že znan in opisan npr. v EP 0 665 626 Al, EP 0 865 141 A2, GB 2 050 721 A in US 3 863 129. Glavna težava pri vseh znanih rešitvah leži v tem, da je čas polnjenja sekundarne baterije, predvsem svinčeve baterije, sorazmerno dolg. Obstajajo sicer tudi rešitve hitrega polnjenja sekundarne baterije, vendar je v takšnem primeru baterija že po dveh ali treh ponovnih polnjenjih uničena in neuporabna.

Naloga predloženega izuma je torej ustvariti postopek hitrega polnjenja sekundarne baterije, ki bo odpravil pomanjkljivosti dosedanjih rešitev in bo omogočil hitro polnjenje sekundarne baterije ne glede na njeno vrsto.

Nadaljnja naloga izuma je ustvariti postopek merjenja napolnjenosti sekundarne baterije med samim polnjenjem.

Še nadaljnja naloga predloženega izuma je ustvariti napravo, ki bo omogočala hitro in zanesljivo večkratno polnjenje sekundarne baterije ter merjenje napolnjenosti omenjene baterije med samim polnjenjem.

Zadana naloga je po izumu rešena tako, da postopek hitrega polnjenja sekundarne baterije sestoji iz naslednjih korakov:

- pretvorba izmenične omrežne napajalne napetosti v enosmerno napetost,

- pretvorba v prejšnjem koraku pridobljene enosmerne napetosti v pulzirajočo napetost,

- vodenje pulzirajoče napetosti na sekundarno baterijo, ki sejo polni,

- vsaj ena meritev napolnjenosti sekundarne baterije.

Za hitro polnjenje sekundarne baterije je seveda potrebna enosmerna napetost, ki je odvisna od napetosti in števila celic sekundarne baterije, ki se jo polni. Pri tem ustreza po prvem postopkovnem koraku pridobljena enosmerna napetost približno dvakratniku nazivne napetosti sekundarne baterije, ki se jo polni. Med polnjenjem ostaja omenjena enosmerna napetost nespremenjena in določa vršnjo vrednost polnilnega toka, ki je praktično nespremenjen tekom celotnega polnilnega postopka. Napetost na sekundami bateriji, ki se jo polni, se med postopkom meri z merilnikom napetosti in primerja z nastavljeno vrednostjo napetosti omenjene baterije.

Za regulacijo napetosti se uporabi PWM modulacijo polnilnih pulzov. Izkazalo se je namreč, da je modulacija z nespremenljivo dolžino polnilnega pulza in spremenljivo dolžino premorov zlasti ugodna, saj ima manjše izgube na MOS tranzistorju na poljski efekt in s tem boljši izkoristek hitrega polnjenja.

Velikost po prvem postopkovnem koraku pridobljene enosmerne napetosti leži pri tem v območju med 180 % in 220 %, prednostno pa med 190 % in 210 % nazivne napetosti sekundarne baterije, ki sejo polni.

Dolžina pulza pulzirajoče enosmerne napetosti, dobljene po drugem postopkovnem koraku, znaša pri prazni sekundami bateriji okoli 10 ps, dolžina premora pa znaša okoli 100 ps. Skladno s polnjenjem sekundarne baterije se daljša dolžina premora, ki ob koncu polnjenja znaša okoli 10 ms.

Nadalje se je pri popolnoma izpraznjeni sekundami bateriji kot optimalno izkazalo, če leži frekvenca pulzov po drugem postopkovnem koraku pridobljene pulzirajoče napetosti v območju med 1 kHz in 15 kHz, prednostno v območju med 5 kHz in 10 kHz. Nižja frekvenca od 5 kHz vodi do prekomernega segrevanja sekundarne baterije, višja frekvenca od 10 kHz pa premočno zviša impedanco baterije, ki se jo polni. Pri tem znaša razmerje med časom trajanja pulza in časom med dvema zaporednima pulzoma od 1 : 5 do 1 : 10, prednostno 1:8.

Postopek po izumu za hitro polnjenje sekundarne baterije se lahko opravi le na predhodno formirani sekundami bateriji. To pomeni, da je potrebno sekundarno baterijo prvikrat polniti po postopku po izumu, pri čemer pa so polnilni pulzi za okoli 5 % do 10 % daljši kot sicer. Vsako nadaljnje hitro polnjenje poteka na poprej opisani način. Omenjeno formiranje se lahko opravi bodisi na popolnoma novi sekundami bateriji ali na že izrabljeni sekundami bateriji, lahko pa je kar sestavni del njene izdelave.

Naprava za izvedbo postopka po izumu je v nadaljevanju pobliže predstavljena na osnovi predloženih skic, kjer kaže sl. 1 blokovni diagram polnilne naprave, sl. 2 blokovni diagram podsklopa za meijenje napolnjenosti sekundarne baterije, sl. 3 shematičen prikaz časovne odvisnosti poteka intervalov pulzirajoče napetosti, sl. 4 shematičen prikaz časovne odvisnosti poteka merilnih intervalov.

Naprava za hitro polnjenje baterije, zlasti sekundarne baterije, pri čemer je naprava kot taka neodvisna od vrste baterije, je na sl. 1 prikazana znotraj s črtkano črto označenega pravokotnika. Naprava sestoji iz pretvornika 1 izmenične napetosti v enosmerno napetost, ki je na svojem vhodu priključen na izmenično napajalno napetost U_Ac, na svojem izhodu pa daje enosmerno napetost Udc· Vrednost omenjene enosmerne napetosti Udc, ki jo ustvaija pretvornik 1, približno ustreza dvakratniku nazivne napetosti sekundarne baterije 3, ki se jo polni. Pretvornik 1 je zaporedno vezan s pulznim pretvornikom 2, ki ustvarja pulzirajočo napetost U_P dolžine Tj s premorom T> med dvema zaporednima pulzoma. Pri prazni sekundami bateriji 3 znaša dolžina Ti pulza enosmerne napetosti U_P okoli 10 μ.?, medtem ko znaša dolžina T₂ premora okoli 100 μ.ν. Dolžina T₂ premora je pri tem odvisna od stopnje napolnjenosti sekundarne baterije 3 in se skladno s polnjenjem sekundarne baterije 3 zvezno podaljšuje do okoli 10 ms. Pulzni pretvornik 2 generira pulze pulzirajoče napetosti U_P z določeno frekvenco, ki leži v območju med 1 kHz in 15 kHz. Kot zlasti prednostno seje izkazalo, če omenjena frekvenca leži v območju med 5 kHz in 10 kHz.

Pri tem se je kot izkazalo, da je enosmerna napetost U_DC, ki je odvisna od napetosti in števila celic sekundarne baterije, določena na način kot sledi:

Udc - 2 ^x U_c ^x Nc ^x J,25 za npr. Pb baterije z do 2 Ah kapacitete, oz.

U_Dc = 2 χ U_c ^x Nc ^x 0,9 za npr. Pb baterije z nad 2 Ah kapacitete.

Pri tem pomeni Uc napetost celice in N_c število celic baterije.

Izhod omenjenega pulznega pretvornika 2 je zaporedno vezan s sekundarno baterijo 3, ki sejo polni, medtem ko je s povezavama 4a, 4b vzporedno vezan z merilnikom 4 napetosti odprtih sponk sekundarne baterije 3 in je vzporedno vezan s kontrolnim sklopom 5. Pomembno pri tem je, daje povezava med pulznim pretvornikom 2 in baterijo 3 zasnovana s čimmanjšo upornostjo. Zlasti ugodne rezultate se je doseglo, če je omenjena upornost ležala pod 0,1 Ω. Nasploh velja, da naj imajo vsakokratne povezave med posameznimi komponentami v napravi po izumu čimmanjšo upornost, prednostno pod 0,1 Ω.

Omenjeni merilnik 4 napetosti odprtih sponk sekundarne baterije je podrobneje opisan s sklicevanjem na sl. 2 (zaobsežen s črtkano črto). Prvi generator 6 pulzov generira intervale in sicer merilni interval oz. trajanje prekinitve napajanja z dolžino T₃ in čas T₄ med dvema zaporednima meritvama. Pri tem znaša interval T₄ med dvema zaporednima merilnima intervaloma okoli 10 s, medtem ko traja prekinitev T₃ okoli 0,1 «v. Omenjene intervale T₃, T₄ se vodi v drugi generator 7, ki na svojem izhodu ustvari znotraj merilnega intervala in tik ob koncu prekinitve polnjenja sekundarne baterije 3 z dolžino T₃ dejanski čas T₅ (na sl. 4 prikazano kot šrafirano področje) odčitavanja napetosti odprtih sponk sekundarne baterije. Ta čas T₅ je bistveno krajši od dolžine T₃ merilnega intervala in znaša okoli 0,01 s. V času T₅ se s pulzom iz drugega generatorja kratko stakne digitalno stikalo 8, pri čemer po vodu 4a steče iz sekundarne baterije 3 tok v analogni pomnilnik 9, ki je v danem primeru kondenzator. Analogni pomnilnik 9 si zapomni stanje, tj. trenutno napetost odprtih sponk baterije. Omenjeni pomnilnik 9 je povezan s komparatorjem 10, v katerem je shranjena primerjalna napetost, ki se jo primerja z napetostjo v analognem pomnilniku 9. Če je napetost v analognem pomnilniku 9 enaka ali višja od primerjalne, pošlje komparator preko voda 4b v pulzni pretvornik signal za prekinitev polnjenja sekundarne baterije 3. V nasprotnem primeru teče postopek naprej.

Iz prvega generatorja 6 se pulze z intervalom T4 med dvema zaporednima merilnima intervaloma vodi preko vodnika 4b v pulzni pretvornik 2, kar pomeni tedaj prekinitev polnjenja sekundarne baterije 3. Prekinjanje polnjenja iz komparatoija 10 je v celoti neodvisno od prekinjanja na osnovi pulzov prvega generatorja 6. Na začetku polnjenja sekundarne baterije 3, ko le le-ta še prazna, se polnjenje izklaplja s prvim generatorjem 6. Kasneje, ko je sekundama baterija 3 polna, se polnjenje izklopi s komparatorjem 10.

Claims

Patentni zahtevki
2.
3.
4.

30 5.

Postopek hitrega polnjenja sekundarne baterije, značilen po tem, da sestoji iz naslednjih korakov:

a) pretvarjanje izmenične omrežne napajalne napetosti Uac v enosmerno napetost Udc, katere vrednost približno ustreza dvakratniku nazivne napetosti sekundarne baterije, ki sejo polni,

b) pretvarjanje v prejšnjem koraku pridobljene enosmerne napetosti Udc v pulzirajočo napetost U_P z dolžino T₍ pulzov in dolžino T2 premorov, pri čemer znašajo vrhovi tokovnih impulzov med 30 in 40 kratnikom kapacitete sekundarne baterije, ki sejo polni,

c) vodenje pulzirajoče napetosti Up na sekundarno baterijo, ki sejo polni, pri čemer je premor T₂ med pulzi pulzirajoče napetosti U_P odvisen od napetosti v bateriji, ki se jo polni,

d) vsaj ena meritev napolnjenosti sekundarne baterije.

Postopek hitrega polnjenja sekundarne baterije po zahtevku 1, značilen po tem, da leži velikost po prvem postopkovnem koraku pridobljene enosmerne napetosti Udc med 180% in 220%, prednostno pa med 190% in 210% nazivne napetosti sekundarne baterije, ki sejo polni.

Postopek hitrega polnjenja sekundarne baterije po zahtevku 1, značilen po tem, da znaša pri prazni sekundami bateriji dolžina T, pulza enosmerne napetosti U_P okoli 10 ps in znaša dolžina T₂ premora okoli 100 p.s·.

Postopek hitrega polnjenja sekundarne baterije po zahtevkih 1 do 3, značilen po tem, da se skladno s polnjenjem sekundarne baterije dolžina T₂ premora zvezno podaljšuje do okoli 10 ms.

Postopek hitrega polnjenja sekundarne baterije po zahtevkih 1 do 4, značilen po tem, da leži pri prazni sekundami bateriji frekvenca pulzov po drugem postopkovnem koraku pridobljene pulzirajoče napetosti U_P v območju med 1 kHz in 15 kHz, prednostno v območju med 5 kHz in 10 kHz.

6. Postopek hitrega polnjenja sekundarne baterije po zahtevkih 1 do 5, značilen po tem, da znaša pri prazni sekundami bateriji razmerje dolžine T, pulza in dolžine T₂ premora od 1:5 do 1:10, prednostno 1:8.
5 7. Postopek merjenja napetosti odprtih sponk sekundarne baterije, ki sejo hitro polni po postopku po zahtevkih 1 do 6, značilen po tem, da obsega naslednje korake:

a) generiranje premora polnjenja sekundarne baterije dolžine T₃ med vsakokratnima meritvama v dolžini T₄ v prvem generatorju,

b) posredovanje omenjenega premora T₃ drugemu generatorju,

10 c) generiranje dejanskega merilnega pulza dolžine T₅ v drugem generatorju,

d) ustavitev hitrega polnjenja sekundarne baterije za čas T₃,

e) vodenje omenjenega pulza iz drugega generatorja v digitalno stikalo, ki se ga s tem kratko stakne v trajanju T₃,

f) merjenje napetosti odprtih sponk sekundarne baterije znotraj in tik pred

15 zaključkom merilnega pulza v trajanju T₅.
8. Postopek merjenja napetosti odprtih sponk sekundarne baterije, ki se jo hitro polni, po zahtevku 7, značilen po tem, da znaša dolžina T₃ prekinitve polnjenja sekundarne baterije okoli 0,1 5 in znaša dolžina T₄ med dvema zaporednima

20 merjenj ima okoli 10 s·.
9. Postopek merjenja napetosti odprtih sponk sekundarne baterije, ki se jo hitro polni, po zahtevku 7, značilen po tem, da znaša dolžina T₅ merjenja napetosti odprtih sponk sekundarne baterije okoli 0,01 5.
10. Naprava za hitro polnjenje sekundarne baterije po postopku po zahtevkih 1 do 9, značilna po tem, da obsega pretvornik (1) izmenične napetosti v enosmerno napetost, ki je na svojem vhodu priključen na izmenično napajalno napetost (U_Ac), na svojem izhodu pa daje enosmerno napetost (U_Dc), s pretvornikom (1)

30 zaporedno vezan pulzni pretvornik (2), ki ustvarja pulzirajočo napetost (U_P) dolžine T, s premorom T₂ med dvema zaporednima pulzoma, pri čemer je izhod omenjenega pulznega pretvornika (2) zaporedno vezan s sekundarno baterijo (3), ki sejo polni, preko vodnika s čimmanjšo upornostjo, prednostno pod 0,1 Ω, in je vzporedno vezan z merilnikom (4) napetosti odprtih sponk sekundarne baterije (3), kateri ustvarja merilne pulze dolžine T₃ z dolžino T₄ premora med dvema zaporednima merilnima pulzoma, ter s kontrolnim sklopom (5).
11. Naprava za hitro polnjenje sekundarne baterije po zahtevku 10, značilna po tem, da merilnik (4) napetosti odprtih sponk sekundarne baterije (3) sestoji iz generatorja (6) premorov polnjenja sekundarne baterije dolžine T₃ v času T₄ med dvema zaporednima meritvama, ki se jih vodi v drugi generator (7), ki na svojem izhodu ustvari znotraj in tik ob koncu premora polnjenja sekundarne baterije dolžine T₃ dejanski čas T₅ odčitavanja napetosti odprtih sponk sekundarne baterije, ki je bistveno krajši od dolžine T₃ merilnega pulza, iz digitalnega stikala (8), ki je povezan z drugim generatorjem (7) in preko povezave (4a) z baterijo (3), analognega pomnilnika (9) in komparatorja (10), od koder je speljana povratna povezava (4b) s pulznim pretvornikom (2), pri čemer je tudi prvi generator (6) s povratno povezavo (4b) povezan s pulznim pretvornikom (2).
12. Naprava za hitro polnjenje sekundarne baterije po zahtevkih 10 in 11, značilna po tem, da znaša dolžina premora T₄ okoli 10 s in znaša dolžina T₃ merilnega pulza okoli 0,1 5 in znaša čas odčitavanja T₅ okoli 0,01 s.