WO2007012504A1 - Verfahren zur laderegelung von nickel-cadmium und nickel-metallhydrid akkus und stromversorgungseinrichtung - Google Patents

Verfahren zur laderegelung von nickel-cadmium und nickel-metallhydrid akkus und stromversorgungseinrichtung Download PDF

Info

Publication number
WO2007012504A1
WO2007012504A1 PCT/EP2006/007592 EP2006007592W WO2007012504A1 WO 2007012504 A1 WO2007012504 A1 WO 2007012504A1 EP 2006007592 W EP2006007592 W EP 2006007592W WO 2007012504 A1 WO2007012504 A1 WO 2007012504A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
battery
charge
charging
power supply
batteries
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/007592
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Lang
Original Assignee
Solarc Innovative Solarprodukte Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Solarc Innovative Solarprodukte Gmbh filed Critical Solarc Innovative Solarprodukte Gmbh
Priority to EP06762920A priority Critical patent/EP1913671A1/de
Publication of WO2007012504A1 publication Critical patent/WO2007012504A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0013—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/00711—Regulation of charging or discharging current or voltage with introduction of pulses during the charging process
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/00712—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters
    • H02J7/007182—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
    • H02J7/007188—Regulation of charging or discharging current or voltage the charge cycle being controlled or terminated in response to non-electric parameters
    • H02J7/007192—Regulation of charging or discharging current or voltage the charge cycle being controlled or terminated in response to non-electric parameters in response to temperature
    • H02J7/007194—Regulation of charging or discharging current or voltage the charge cycle being controlled or terminated in response to non-electric parameters in response to temperature of the battery
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/342—The other DC source being a battery actively interacting with the first one, i.e. battery to battery charging
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/35—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/165—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values
    • G01R19/16533—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application
    • G01R19/16538—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application in AC or DC supplies
    • G01R19/16542—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application in AC or DC supplies for batteries

Definitions

  • the invention relates to a method for charging control for power supply devices with removable nickel-cadmium (NiCd) or nickel-metal hydride (NiMH) batteries with either constant or non-constant power sources and a universal power supply device with this method.
  • NiCd nickel-cadmium
  • NiMH nickel-metal hydride
  • NiCd and above all NiMH batteries are characterized among other things by a high energy density, a high number of charge cycles, a low internal resistance and flat discharge curves.
  • these battery systems are available as round cells in the typical AAA, AA, C and D sizes that are used in many mobile consumer products for powering.
  • By their rated voltage of about 1.2V They are also replaceable or replace conventional alkaline manganese or zinc-carbon primary cells with 1.5 V nominal voltage. Due to these properties, NiCd / NiMH batteries are also of interest for mobile power supply units such as solar chargers or crank generators.
  • NiCd / NiMH batteries When charging NiCd / NiMH batteries, in contrast to lead- or lithium-based battery systems or RAM cells (rechargeable alkaline manganese batteries), no conventional constant voltage charge control can be used, as NiCd / NiMH batteries become increasingly charged as a result of internal gassing processes and concomitant pressure and temperature increase limit the terminal voltage and even slightly lower after reaching full state.
  • Previous chargers for NiCd / NiMH batteries therefore work in principle with the following methods: Fixed balancing: Constant current with permanently set timer
  • Mobile, self-sufficient power supply facilities with removable NiCd and / or NiMH batteries are known in various designs and for a variety of applications. In addition to the ability to recharge the said batteries internally, these facilities also offer in particular the ability to load or operate external small mobile devices such as mobile phones or organizers, the internal batteries then serve as a buffer. Examples from the patent literature are DE 199 28 809 A1, DE 203 11 011 U1, CA 2 409 465 A1. Examples of corresponding solar chargers available on the market can be found, for example, on the Internet websites www. solar server. de or www. Conrad. de. All these examples are more or less universal chargers, which, however, contain no or only insufficient means for internal charge limitation, in particular of NiCd / NiMH rechargeable batteries.
  • the object of the present invention is thus to provide a method for the controlled charging of any NiCd / NiMH batteries by various, optionally constant or non-constant current sources without presetting the battery capacity, and a mobile power supply device which uses this principle and constructed accordingly.
  • What is essential for the present invention is the interaction, taking place in a defined temporal or functional scheme, of three charging methods known in principle, which however, taken alone or in a simple sequence, can not fulfill the task formulated above.
  • the basis for this is a power supply device that operates in the mobile case with non-constant power sources (eg solar generator), in the stationary case, however, with constant power sources (eg power adapter) can be.
  • this device must be able to cause a discharge of the inserted removable batteries when supplying external consumers (eg mobile phones).
  • This threshold is typically in the range of 1.15 and 1.25 V. If the battery is not already in the discharged state, the user or automatically a discharge with a discharge current -I Ent can be started in which the battery up defined to the threshold Uo is unloaded. If the charging device is subsequently operated with a predetermined minimum charge current I C onst detected by the charging device, which is supplied by a constant current source or constant-current controlled non-constant current source, the operating mode 1 is started automatically or even by the user. In this case, the battery with the help of the known - ⁇ U charging method until the
  • the battery in the charging device was measured (calibrated) in operating mode 1.
  • the battery has neither a terminal voltage below the threshold after inserting it into the battery compartment. Ie U 0 , nor is a discharge started by the user.
  • the operating mode 1 automatically or by the user of the operating mode 3 is activated, which can also be operated as mode 2 with constant or unkon ⁇ stant current sources.
  • the user will thus, if possible, make use of the combination of operating modes 1 and 2 in order to use the great advantages of the balancing method 2 as a buffer, especially during frequent charging and discharging to supply external small appliances with the internal batteries, and he has otherwise the method 3 is a reasonably good alternative.
  • the advantages of this coordinated, automatically adjusting combination are further enhanced by the following developments:
  • the charge counter is reset to the value Q 0 as soon as the defined lower voltage threshold U 0 is reached by a discharging process or by self-discharge.
  • a "running away" of the charge counter from the actual state of charge for example by a different charge factor L, prevented.
  • the charging current is also as soon as the value Q max is reached at a low trickle charging current value I tr in the range about 0.01 to 0.05 • Q raax / h down- regulates.
  • Trickle charge mode the charge payer will no longer be charged, the battery can be kept in this state for an indefinite period of time (apart from its calendar life) in full condition. Ideally, the trickle charge current will be short
  • an upper voltage threshold of the terminal voltage Uki, max can be implemented which corresponds to the maximum charging voltage of chargeable alkaline manganese batteries (RAM) and is typically 1.65 to 1.7V. Once this threshold has been reached, no further increase is possible and the charging current is automatically regulated back by the battery. Since this threshold is above the ty ⁇ european charging voltage of NiMH or NiCd batteries, can not be expected in these with a limitation. This measure also makes it possible to use alkaline manganese primary cells in a charger as an emergency reserve, eg to supply externally connected small appliances. Accidental charging of these cells can not lead to overcharging or leakage of electrolyte.
  • a universal power supply device will now be described which represents a concrete implementation of the method explained above with suitable components. These are at least one control electronics with the charging method described above, an input for constant and non-constant power sources, a battery compartment for removable batteries and a connection for external consumers. With the above-mentioned components, the task resulting from the state of the art can be used to charge both internal NiCd or NiMH batteries of any capacity with constant or even constant current sources and also to charge or connect connected external small mobile devices such as mobile phones or organizers operate, with the internal batteries then serve as a buffer.
  • the control electronics can typically be realized by means of a freely programmable microcontroller which communicates with the inputs and outputs via A / D and D / A converters and power controllers or DC / DC converters adapted to the charge and discharge currents.
  • a / D and D / A converters and power controllers or DC / DC converters adapted to the charge and discharge currents.
  • the device itself may also contain a self-sufficient power source, eg a solar generator. This is an advantageous development of the invention as a mobile device with at least one rigid or hinged solar module and remote from the sun control unit with battery compartment possible.
  • a DC-DC converter with a constant output voltage for the defined supply of externally connectable consumers can be provided.
  • the output voltage can also be controlled to allow adaptation to different consumers. For typical small appliances such as e.g. Mobile phones, organizers or GPS devices require operating or charging voltages in the range of approx. 5 to 12 volts.
  • an adjustment of at least one of the sizes I C onst, Imax ⁇ Itrr lL, max / IL, min, Qiim depending on the housing size and / or capacity and / or the number of inserted batteries are provided.
  • NiMH battery case sizes and corresponding capacities AA batteries (Mignon) with approx. 1.0 to 2.2 Ah can be mentioned
  • NiCd AA batteries only reach about 500 to 900 mAh.
  • a capacitance range of 500 to 2200 mAh must be covered.
  • I C onst for error-free implementation of the - ⁇ U charging method in operating mode 1
  • a range of about 500 to 1000 mA can be called for the other modes I ma ⁇ and I tr corresponding 600 to 1200 mA and 25 bis 50 mA and Qiim 2500 mAh
  • I L , ma ⁇ and IL, min can be in the range between I max and I tr . If you now allow multiple parallel battery compartments, so these values should be multiplied by the number of battery compartments, otherwise either at maximum battery capacity and capacity no
  • the requisite detection of the battery number can be effected by means of two contacts arranged at the negative or positive pole of each battery compartment, which contacts are connected to one another by the contact surface of the inserted battery. The detection connection then leads to the control unit and causes the corresponding changeover of the values in the microcontroller.
  • a selection of the rechargeable battery housing size by means of a gradation of the battery compartment can be made such that each type of battery is located in the appropriate part of the battery compartment with the individual contacts attached there. The detection and retransmission of the battery type to the control unit takes place as described above.
  • FIG. 2 shows a diagram with the large terminal voltage measured value and standard value
  • FIG. 3 is a block diagram of the universal power supply device
  • Figure 4 is a perspective outside view of the basic structure of the universal power supply device in an exemplary execution as a mobile solar charger.
  • FIG. 1 shows the operating modes 1 to 3 on the basis of the diagrams Ia to Ic with an exemplary progression of the large battery terminal voltage U k i, charging current I L and charge Q over the time t.
  • a defined lower voltage threshold Uo which here corresponds to the lower charge threshold Qo
  • the amount of electricity is summed up and possibly multiplied by a charge factor L. This results in the illustrated values of the charge Q, where Q 0 a "blank" - and Qi corresponds to a "full" state of the battery.
  • Diagram Ib shows the balancing operating mode 2 in which, depending on the direction and magnitude of the charging / discharging current I L, the current value of the charge Q is increased or reduced, again possibly taking into account a charging factor L.
  • the maximum charge state Qi is reached as in operating mode 1 switched to a trickle charging current I tr with charging pulses.
  • Diagram Ic shows the behavior in operating mode 3 in which the charging current I L is reduced from a maximum value I L , max from reaching a defined minimum terminal voltage threshold U k i, mm until it reaches a defined minimum terminal voltage threshold. mm into a constant minimum current I L , mm, with which the battery can be easily overloaded. Nevertheless, after reaching a defined charge limit Qi 1n , in turn switched to a trickle charge current I t r.
  • ⁇ nis of the internal resistance R 1 of the battery results in DA with despite significant fluctuations in the measured
  • Terminal voltage value U k i, meSs is a stable, "normalized" value Uki, normf which corresponds to the charge state-dependent terminal voltage of the unloaded battery and thus can be used, for example, for detecting the state of charge of the battery charge.
  • FIG. 3 shows a block diagram of the universal power supply device 1 with its essential functional components.
  • a housing G In a housing G are an integrated generator 2, in the embodiment, a solar generator as an unconstant power supply, a control unit 5 with subdivision into power divider 11, microcontroller with temperature sensor 10 and output DC / DC converter 9, battery compartments for batteries 4, which also may be different, and battery contacts 4a, input / output unit 8 and inputs and outputs 3 and 6 housed.
  • the solar generator supplies a charging current dependent on the incident light intensity as an internal primary energy source
  • a constant external current source can be connected via the input 3 in order to ensure a reliable function in operating mode 1, but the current of the solar generator may be kept constant can be.
  • the activation of the three different operating modes and generally a charging process of the internal batteries or a discharging external consumer V can be done via the input / output unit 8 and implemented by the microcontroller 10 to the connected peripherals; Alternatively, the activation can also take place automatically when certain operating states are detected by the microcontroller 10.
  • the output elements in the input / output unit 8 can display the current operating mode, the state of charge of the battery and other processes such as current flow in input 3, current flow in output 6 and can be formed, for example, from LEDs or an LCD display.
  • a microcontroller for example, a freely programmable 8-bit controller can be used, which provides an integrated or externally connected temperature sensor for shutdown Exceeding certain battery-specific temperature ranges needed.
  • a charge counter whose count determines the state of charge of the batteries.
  • the controller also includes one or more memories which serve to store the predetermined operating values.
  • the implementation of the analog measured values of charge / discharge current, battery voltage, etc. can be done in an integrated in the microcontroller 10 or externally in the control unit 5 analog / digital converter.
  • the output of the control values to the power divider 11, which controls the flow of current from the internal and external power sources 2 and 3 and in and out of the batteries 4, can also be done via an integrated in the microcontroller 10 or an external digital / analog converter.
  • the solar generator 2 must be dimensioned so that the battery 4 can be charged in any state of charge and the generator is doing in a favorable operating point.
  • the output side DC / DC converter 9 is used to generate various output voltages from the battery voltage with high efficiency in order to operate different consumers V 12 can.
  • the converter can be switched on and off by the microcontroller 10 and additionally controlled in its voltage or current values.
  • FIG. 4 shows the power supply device in an exemplary embodiment as a mobile solar charger.
  • the solar generator 2 is arranged foldable on the housing G to cause shading of the battery compartment 4 located in the battery compartment 4.
  • an input socket 3 On the outer surfaces of the housing G, an input socket 3, an output socket 6 and input and output elements 8 are attached.
  • the entire control electronics nik 5 is located inside the power supply unit 1:

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Laderegelung für Stromversorgungseinrichtungen mit entnehmbaren Nickel-Cadmium oder Nickel-Metallhydrid Akkus mit wahlweise konstanten oder unkonstanten Stromquellen sowie eine universelle, preiswerte Stromversorgungseinrichtung mit diesem Verfahren. Neben der Möglichkeit, Akkus intern aufzuladen, bieten derartige Einrichtungen insbesondere auch die Möglichkeit, externe mobile Kleingeräte zu laden oder zu betreiben, wobei die internen Akkus dann als Puffer dienen. Bei der vorliegenden Erfindung werden -ΔU-Abschaltung, Bilanzierung und W-Ladung in einer modifizierten Form wahlweise bzw. in einer speziellen zeitlichen Abfolge angewendet. Damit können Akkus mit zunächst unbekannter Kapazität auch mit unkonstanten Stromquellen wie z.B. Solargeneratoren definiert und mit exakter Ladezustandsanzeige vollgeladen werden, daneben ist in den Betriebsmodi Bilanzierung und W-Ladung auch eine Entladung der internen Akkus zum Betrieb externer Geräte möglich. Eine erfindungsgemäße Stromversorgungseinrichtung (1) enthält neben einer Steuerelektronik (5) einen integrierten Solargenerator (2), Akkus (4), einen Eingang (3) für externe Stromquellen sowie einen Ausgang (6) für externe Verbraucher.

Description

Verfahren zur Laderegelung von Nickel-Cadmium und Nickel-Metallhydrid Akkus und Stromversorgungseinrichtung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Laderegelung für Stromversorgungseinrichtungen mit entnehmbaren Nickel-Cadmium (NiCd) oder Nickel-Metallhydrid (NiMH) Akkus mit wahlweise konstanten oder unkonstanten Stromquellen sowie auf eine universelle Stromversorgungseinrichtung mit diesem Verfahren.
NiCd und vor allem NiMH Akkus zeichnen sich unter anderem durch eine hohe Energiedichte, eine hohe Anzahl von Ladezyklen, einen niedrigen Innenwiderstand und flache Entladungskurven aus. Insbesondere sind diese Akkusysteme als Rundzellen in den typischen Größen AAA, AA, C und D verfügbar, die in vielen mobilen Consumerprodukten zur Energieversorgung verwendet werden. Durch ihre Nennspannung von ca. 1,2 V sind sie außerdem ersetzbar durch bzw. ersetzen übliche Alkali-Mangan oder Zink-Kohle Primärzellen mit 1,5 V Nennspannung. Durch diese Eigenschaften sind NiCd/NiMH Akkus auch für mobile Stromversorgungsgerä- te wie z.B. Solarlader oder Kurbelgeneratoren interessant .
Beim Aufladen von NiCd/NiMH Akkus kann im Gegensatz zu Blei- oder Lithium-basierten Akkusystemen oder auch RAM Zellen (wiederaufladbare Alkali-Mangan Batterien) keine herkömmliche Konstantspannungs-Lade- regelung angewendet werden, da NiCd/NiMH Akkus bei zunehmendem Ladungszustand durch interne Gasungsprozesse und damit einhergehenden Druck- und Tempera- turanstieg die Klemmenspannung begrenzen und nach Erreichen des Vollzustands sogar leicht absenken. Bisherige Ladegeräte für NiCd/NiMH Akkus arbeiten daher prinzipiell mit folgenden Verfahren: Feste Bilanzierung: Konstantstrom mit fest einge- stelltem Timer
Variable Bilanzierung: Ladungszählung mit variablem
Maximalwert
Abtastung des Spannungsverlaufs: -ΔU-Verfahren mit
Abschaltung bei Abnahme der Klemmenspannung um einen definierten Wert ΔU
Abtastung des Temperaturverlaufs: Abschaltung bei Erreichen einer Maximaltemperatur Tmax bzw. eines maximalen Temperaturanstiegs dT/dt Diverse Verfahren mit Abtastung anderer innerer Akku- parameter wie z.B. Impedanz, dynamische Parameter etc. (z.B. CCS-Ladeverfahren der Fa. BTI in Kooperation mit der TU Graz) .
Bis auf die relativ aufwendigen Verfahren e) verlan- gen sämtliche der oben genannten Verfahren entweder konstante Ladestromquellen (Verfahren a,c,d) oder ei- ne Kenntnis der eingesetzten Akkukapazität (Verfahren b) . Ein mobiles Ladegerät mit einem Ladeschacht für NiCd/NiMH Akkus beliebiger Kapazität für den Betrieb mit verschiedenen, auch autarken Stromquellen mit un- konstantem Ladestrom ist somit auf eine Verwendung der für Consumergeräte zu aufwendigen Verfahren e) beschränkt .
Mobile, autarke Stromversorgungseinrichtungen mit entnehmbaren NiCd und/oder NiMH Akkus sind in verschiedenen Ausführungen und für die unterschiedlichsten Einsatzfälle bekannt. Neben der Möglichkeit, die genannten Akkus intern aufzuladen, bieten diese Einrichtungen insbesondere auch die Möglichkeit, externe mobile Kleingeräte wie z.B. Mobiltelefone oder Organizer zu laden oder zu betreiben, wobei die internen Akkus dann als Puffer dienen. Beispiele aus der Patentliteratur sind die DE 199 28 809 Al, DE 203 11 011 Ul, CA 2 409 465 Al, Beispiele entsprechender im Markt erhältlicher Solar-Ladegeräte finden sich z.B. auf den Internet-Webseiten www . solarserver . de oder www . Conrad . de . Bei allen genannten Beispielen handelt es sich um mehr oder weniger universelle Ladegeräte, die jedoch keine oder nur unzureichende Mittel zur internen Ladungsbegrenzung insbesondere von NiCd/NiMH Akkus enthalten. Bei den meisten der genannten Erfindungen sind neben den autarken, unkonstanten Stromquellen auch Vorrichtungen zum Anschluss an konstante Stromquellen wie z.B. Netzgeräte oder 12V- Autobatterien integriert. Damit besteht die Möglichkeit, bei Vorhandensein derartiger Stromquellen eine relativ schnelle und sichere Aufladung zu erzielen, insbesondere wenn z.B. im Falle eines Solarladers keine ausreichende Sonneneinstrahlung vorhanden ist. Im gegenwärtigen Stand der Technik wird jedoch keines der zuvor beschriebenen Ladeverfahren zur Ladekon- trolle bei derartigen Ladeeinrichtungen verwendet, sondern - ebenso wie bei den unkonstanten Stromquellen - eine unbegrenzte Überladung der eingelegten Akkus in Kauf genommen.
Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung besteht somit in der Bereitstellung eines Verfahrens zur geregelten Aufladung beliebiger NiCd/NiMH Akkus durch verschiedene, wahlweise konstante oder unkonstante Stromquellen ohne Voreinstellung der Akkukapazität, sowie einer mobilen Stromversorgungseinrichtung, welche dieses Prinzip verwendet und entsprechend aufgebaut ist.
Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch sowie Anspruch 10 zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Ladeverfahrens sowie der Stromversorgungseinrichtung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen und wer- den im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.
Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist das in einem festgelegten zeitlichen bzw. funktionalen Sche- ma erfolgende Zusammenwirken von drei im Prinzip bekannten Ladeverfahren, die jedoch für sich genommen oder in einer einfachen Aneinanderreihung nicht die oben formulierte Aufgabe erfüllen können. Hieraus resultiert ein neuartiges, in sich abgestimmtes Gesamt- Ladeverfahren, das alle real auftretenden Anforderungen abdeckt und mit einer üblichen Microcontroller- Schaltung preiswert realisiert werden kann. Die Basis hierfür bildet eine Stromversorgungseinrichtung, die im mobilen Fall mit unkonstanten Stromquellen (z.B. Solargenerator) , im stationären Fall jedoch mit konstanten Stromquellen (z.B. Netzadapter) betrieben werden kann. Weiterhin muss diese Einrichtung in der Lage sein, bei der Versorgung externer Verbraucher (z.B. Mobiltelefone) eine Entladung des oder der eingelegten, entnehmbaren Akkus zu bewirken.
Folgende Fälle bzw. Abläufe sind dabei nun möglich:
1. Der eingelegte Akku ist nahezu entladen (Q =
Qo) , was anhand einer definierten unteren Span- nungsschwelle Uo automatisch detektiert wird.
Diese Schwelle liegt typischerweise im Bereich 1,15 und 1,25 V. Falls sich der Akku nicht bereits im entladenen Zustand befindet, kann vom Benutzer oder auch automatisch ein Entladevor- gang mit einem Entladestrom -IEnt gestartet werden, in dem der Akku bis zur Schwelle Uo definiert entladen wird. Wird die Ladeeinrichtung danach mit einem vorgegebenen, durch die Ladeeinrichtung detektierten Mindest-Ladestrom IConst betrieben, der von einer konstanten Stromquelle oder auf einen konstanten Strom geregelte unkonstante Stromquelle geliefert wird, so wird automatisch oder auch durch den Benutzer der Betriebsmodus 1 gestartet. Dabei wird der Akku mit Hilfe des bekannten -ΔU-Ladeverfahrens bis zum
Erreichen eines negativen Spannungsgradienten (-ΔU) der Klemmenspannung Uki innerhalb einer Zeitspanne Δt mit einem durch die Ladeeinrichtung konstant gehaltenen Strom Iconst geladen und danach die Ladung beendet. Die so in den Akku eingeladene Strommenge ICOnst ' Δt = (Qi-Qo) "L entspricht der realen Kapazität Qi - Qo = Qmax = Creai des Akkus mal einem Ladefaktor L, der die reziproke Effizienz des Ladungsprozesses be- schreibt. Die „Kapazität" C von Akkus wird dabei üblicherweise in Ladungseinheiten (Q = Ixt) an- gegeben. Nach der automatischen Beendigung der Ladung wird der Wert Qmax des Ladungszählers intern gespeichert, damit gilt der Akku als kalibriert. Der Wert IConst kann z. B. im Bereich 0,3 bis 2 der zu erwartenden Akkukapazität in Ampere-Einheiten, also z.B. bei 2 Ah-Akkus 0,6 bis 4 A, liegen.
2. Der in der Ladeeinrichtung befindliche Akku wur- de im Betriebsmodus 1 vermessen (kalibriert).
Nach diesem Vorgang geht die Ladeeinrichtung selbsttätig in den bilanzierenden Betriebsmodus 2 über, da nun die Akkukapazität C = Qmax und auch der aktuelle Ladungszustand bekannt und ge- speichert ist. Erfolgt nun eine Entladung in ein angeschlossenes Kleingerät, so wird der Ladungszähler vom aktuellen Wert herabgezählt, bei Nachladung mit konstanten oder unkonstanten Stromquellen wird er heraufgezählt ; die Strom- konstanz spielt für den gemäß
Q(t) = Q0 + Jl (t) /L (t)dt ermittelten Ladungszustand keine Rolle. In diesem Zustand ist bei hinreichender Kenntnis des Ladefaktors L(t) auch eine genaue Ladezustandsanzeige möglich. Der La- defaktor ist vom jeweiligen Akkutyp und Ladezustand abhängig und liegt z.B. bei NiCd-Akkus im Bereich 1,3 - 1,6. Dieser Zustand wird erst wieder verlassen und damit der Ladungszähler und der gespeicherte Kapazitätswert zurückgesetzt, wenn der Akku entnommen wird, da die Ladeeinrichtung nicht „merkt", ob danach wieder derselbe Akku mit gleichem Ladungszustand eingelegt wird.
3. Der Akku weist nach dem Einlegen ins Akkufach weder eine Klemmenspannung unterhalb der Schwel- Ie U0 auf, noch wird eine Entladung vom Benutzer gestartet. In diesem Falle wird anstelle des Betriebsmodus 1 automatisch oder auch durch den Benutzer der Betriebsmodus 3 aktiviert, der ebenfalls wie Modus 2 mit konstanten oder unkon¬ stanten Stromquellen betrieben werden kann. Es handelt sich um eine Abwandlung des für Blei- Akkus früher gelegentlich angewandten Verfahrens der „W-Ladung" . Dabei wird während der Ladung der Ladestrom etwa umgekehrt proportional zur steigenden Akku-Klemmenspannung heruntergeregelt, wodurch in etwa ein konstantes Leistungsprodukt W = U - I entsteht. Dieses Verfahren enthält gegenüber einem bilanzierenden Verfahren wie in Modus 2 einerseits den Nachteil einer Begrenzung des vorhandenen Stromangebots, insbesondere bei steigender Spannung des Akkus (entsprechend I = W / U) , und andererseits den Nachteil einer relativ ungenauen Ladungszustandsan- zeige, die hier nur an der Klemmenspannung des
Akkus orientiert werden kann. Dennoch ist dieses Verfahren eine bessere, vor allem sicherere Alternative als die bei den beschriebenen Ladegeräten bislang üblichen ungeregelten Verfahren.
Der Benutzer wird somit nach Möglichkeit von der Kombination der Betriebsmodi 1 und 2 Gebrauch machen, um die großen Vorteile des bilanzierenden Verfahrens 2 besonders während häufiger Lade- und Entladevorgänge zur Versorgung externer Kleingeräte mit den internen Akkus als Puffer zu nutzen, und er hat ansonsten mit dem Verfahren 3 eine hinreichend gute Alternative hierzu. Die Vorteile dieser aufeinander abgestimmten, sich automatisch einstellenden Kombination werden durch die folgenden Weiterbildungen noch vergrößert: Im Betriebsmodus 2 erfolgt ein Zurücksetzen des Ladungszählers auf den Wert Q0, sobald durch einen Entladevorgang oder auch durch Selbstentladung die definierte untere Spannungsschwelle U0 erreicht wird. Da- durch wird ein „Weglaufen" des Ladungszählers vom tatsächlichen Ladungszustand, z.B. durch einen abweichenden Ladefaktor L, verhindert.
Im Betriebsmodus 3 ist im Gegensatz zu den bisher üb- liehen primitiven Methoden der oben beschriebenen W- Laderegelung, die z.B. einen durch den Innenwiderstand eines Netztrafos bei steigender Sekundärspannung sinkenden Ladestrom ausnutzen, eine exakt definierte Abnahme des Ladestroms IL von einem Maximal- wert lL,maχ bei Erreichen einer ersten Klemmenspan¬ nungsschwelle Ukii bis zu einem Minimalwert IL,mm bei Erreichen einer zweiten Klemmenspannungsschwelle Uki2 vorgesehen.
Noch genauer wird dieses Verfahren durch die Berechnung eines sogenannten „Normwertes" der Akku- Klemmenspannung Uki,norπw der durch das Einbeziehen aller Innenwiderstände R1 (T) im Gesamtsystem inklusive Akku gemäß Ukl,norm = Uki/mess - Ri (T) • IL unabhängig von dem aktuellen Lade- oder Entladestrom IL ist. Mit Hilfe dieser auch in Abhängigkeit der Temperatur T korrigierbaren Klemmenspannung ist zudem eine exaktere Korrelation zwischen Klemmenspannung und Akkuladezustand möglich. Die Größe Uki/norm entspricht im Ide- alfall genau der Ruhespannung bzw. offenen Klemmenspannung Uoc des Akkus. Anstatt der oben beschriebenen Normspannung Uki/norm kann auch die nach Abschalten aller Ströme in den oder aus dem Akku gemessene Ruhespannung U0C für die Betriebsmodi 1 oder 3 herangezo- gen werden. Nachteilig dabei sind jedoch die notwendigen Abschaltvorgänge des Stroms in den bzw. aus dem Akku, die bei einem eventuellen Entladebetrieb in ein angeschlossenes Endgerat stören. Somit eignet sich die stromlose Messmethode in erster Linie für reine Ladegerate ohne zusatzliche Stromversorgungsfunktion für externe Gerate.
Weiterhin wird in Betriebsmodus 3 ab dem Zeitpunkt des Einlegens eines Akkus unabhängig von dessen Ladungszustand der interne Ladungszahler mit Q = Q0 ge- startet und bei Erreichen eines intern festgelegten Grenzwertes Qiim gestoppt. Danach wird der Ladestrom auf einen niedrigen Erhaltungsladestromwert Itr heruntergeregelt. Der Wert Qiim sollte dabei über dem maximal zu erwartenden Kapazitatswert aller möglichen zu verwendenden Akkus liegen, damit ein Akku auf jeden Fall vollgeladen wird. Damit besitzt dieser Modus gegenüber den bisher bekannten „W-Ladeverfahren" erhebliche Vorteile, da keine unbegrenzte Überladung mehr möglich ist. Bei handelsüblichen NiCd-Akkus der Große AA kann Qiim z.B. im Bereich 1 - 1,5 Ah liegen.
In den beiden Betriebsmodi 1 und 2 wird ebenfalls der Ladestrom auf einen niedrigen Erhaltungsladestromwert Itr im Bereich ca. 0,01 bis 0,05 • Qraax/h herunterge- regelt, sobald der Wert Qmax erreicht ist. In diesem
Erhaltungslademodus wird der Ladungszahler nicht weiter hochgezahlt, der Akku kann in diesem Zustand für unbegrenzte Zeit (abgesehen von seiner kalendarischen Lebensdauer) im Voll-Zustand gehalten werden. Ideal- erweise wird der Erhaltungsladestrom aus kurzen
Strompulsen in Hohe des typischen Ladestroms gebildet, um die Ladeeffizienz zu steigern.
In allen drei beschriebenen Modi kann eine obere Spannungsschwelle der Klemmenspannung Uki,max implementiert werden, die der maximalen Ladespannung von auf- ladbaren Alkali-Mangan Akkus (RAM) entspricht und typischerweise bei 1,65 bis 1,7 V liegt. Ab Erreichen dieser Schwelle ist dann keine weitere Erhöhung mehr möglich und der Ladestrom wird durch den Akku selbst- tätig zurückgeregelt. Da diese Schwelle über der ty¬ pischen Ladespannung von NiMH oder NiCd Akkus liegt, ist bei diesen nicht mit einer Begrenzung zu rechnen. Auch ist durch diese Maßnahme die Verwendung von Alkali-Mangan Primärzellen in einem Ladegerät als Not- reserve z.B. zur Versorgung von extern angeschlossenen Kleingeräten möglich. Ein versehentliches Laden dieser Zellen kann damit nicht zu einem Überladen bzw. Auslaufen von Elektrolyt führen.
Es wird nun eine universelle Stromversorgungseinrichtung beschrieben, die eine konkrete Umsetzung des o- ben erläuterten Verfahrens mit dafür geeigneten Komponenten darstellt. Diese sind zumindest eine Steuerelektronik mit den oben beschriebenen Ladeverfahren, ein Eingang für konstante und unkonstante Stromquellen, ein Akkufach für entnehmbare Akkus und ein An- schluss für externe Verbraucher. Mit den genannten Komponenten lässt sich die aus dem Stand der Technik resultierende Aufgabe erfüllen, sowohl intern einge- legte NiCd oder NiMH Akkus beliebiger Kapazität mit konstanten oder auch unkonstanten Stromquellen geregelt aufzuladen als auch angeschlossene externe mobile Kleingeräte wie z.B. Mobiltelefone oder Organizer zu laden oder zu betreiben, wobei die internen Akkus dann als Puffer dienen. Die Steuerelektronik kann dabei typischerweise mittels eines frei programmierbaren Microcontrollers realisiert werden, der über A/D- und D/A-Wandler und an die Lade- und Entladeströmen angepasste Leistungssteller oder DC/DC- Wandler mit den Ein- und Ausgängen kommuniziert. Die Implementierung der 3 oben beschriebenen Ladeverfah- ren sowie auch weiterer Verfahren für andere Akkusysteme wie z.B. Li-Ionen oder RAM (aufladbare Alkali- Mangan Batterien) ist damit preisgünstig realisierbar. Anstelle oder zusätzlich zu dem Eingang für un- konstante Stromquellen kann die Einrichtung selbst auch eine autarke Stromquelle enthalten, z.B. einen Solargenerator. Damit ist eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung als mobiles Gerät mit zumindest einem starren oder aufklappbaren Solarmodul und einer von der Sonne abgewandten Steuereinheit mit Akkufach möglich.
Da zum Start des Betriebsmodus 1 definiert entladene Akkus eingelegt sein müssen, kann eine zusätzliche vom Benutzer aktivierbare Entladeeinrichtung vorgesehen werden. Ansonsten erfolgt die Entladung in extern angeschlossene Verbraucher, wobei als erfindungsgemäße Weiterbildung ein Gleichspannungswandler mit konstanter Ausgangsspannung zur definierten Versorgung extern anschließbarer Verbraucher vorgesehen werden kann. Die Ausgangsspannung kann dabei auch steuerbar sein, um eine Anpassung an verschiedene Verbraucher zu ermöglichen. Für typische Kleingeräte wie z.B. Mobiltelefone, Organizer oder GPS-Geräte werden Be- triebs- oder Ladespannungen im Bereich von ca. 5 bis 12 Volt benötigt.
Um die Steuerelektronik zumindest teilweise auf die verwendeten Akkus anzupassen und damit ein mögliches Fehlverhalten auszuschließen, kann eine Einstellmöglichkeit zumindest einer der Größen IConst, Imax^ Itrr lL,max/ IL,min, Qiim in Abhängigkeit von der Gehäusegröße und/oder der Kapazität und/oder der Anzahl der eingelegten Akkus vorgesehen werden. Als Beispiel für NiMH Akku-Gehäusegrößen und entsprechende Kapazitäten können AA-Akkus (Mignon) mit ca. 1,0 bis 2,2 Ah genannt werden, dagegen erreichen NiCd AA-Akkus nur ca. 500 bis 900 mAh. Um nun beispielsweise in einem Akkufach AA-Akkus beider Systeme NiMH und NiCd zu laden, muss ein Kapazitätsbereich von 500 bis 2200 mAh abgedeckt werden. Als sinnvoller Kompromiss für IConst zur fehlerfreien Durchführung des -ΔU-Ladeverfahrens im Betriebsmodus 1 kann ein Bereich von ca. 500 bis 1000 mA genannt werden, für die anderen Modi können Imaχ und Itr entsprechend 600 bis 1200 mA und 25 bis 50 mA sowie Qiim 2500 mAh betragen, IL,maχ und IL,min können im Bereich zwischen Imax und Itr liegen. Lässt man nun mehrere parallel geschaltete Akkufächer zu, so sollten diese Werte entsprechend mit der Anzahl der Akkufächer multipliziert werden, da ansonsten entweder bei maximaler Akkubestückung und Kapazität keine
Voll-Ladung oder bei minimaler Bestückung und Erhöhung der fest eingestellten Werte eine Ladung mit zu hohen Strömen erfolgt. Die hierfür notwendige Detek- tion der Akkuanzahl kann mittels zwei am Minus- oder Pluspol jedes Akkufachs angeordneten Kontakten erfolgen, die durch die Kontaktfläche des eingelegten Akkus miteinander verbunden werden. Der Detektionsan- schluss führt dann zur Steuereinheit und bewirkt im Microcontroller die entsprechende Umschaltung der Werte. Darüber hinaus kann auch eine Selektion der Akku-Gehäusegröße mittels einer Abstufung des Akkufachs dergestalt erfolgen, dass jeder Akkutyp in dem für ihn passenden Teil des Akkufachs mit den dort angebrachten individuellen Kontakten liegt. Die Detek- tion und Weitermeldung des Akkutyps an die Steuereinheit erfolgt ebenso wie zuvor beschrieben.
Beispielhafte Ausbildungsformen des Ladeverfahrens sowie der Stromversorgungseinrichtung nach der Erfin- düng werden anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt: Figur la-c einen Vergleich der drei Betriebsmodi 1 bis 3 anhand von Diagrammen
Figur 2 ein Diagramm mit den Großen Klem- menspannungs-Messwert und -Normwert
Figur 3 ein Blockschaltbild der universellen Stromversorgungseinrichtung
Figur 4 eine perspektivische Außenansicht des prinzipiellen Aufbaus der universellen Stromversorgungseinrichtung in einer beispielhaften Ausfuhrung als mobiles Solarladegerat .
In Figur 1 werden die Betriebsmodi 1 bis 3 anhand der Diagramme Ia bis Ic mit einem beispielhaften Verlauf der Großen Akku-Klemmenspannung Uki, Ladestrom IL und Ladung Q über der Zeit t dargestellt. Im Diagramm Ia wird dabei der Akku zunächst von einem Ladungszustand Q > Qo bis Q = Qo entladen, was z.B. über einen ange¬ schlossenen externen Verbraucher geschehen kann, in den aus dem Akku ein Entladestrom -iEnt transferiert wird. Bei Erreichen einer definierten unteren Spannungsschwelle Uo , die hier der unteren Ladungsschwelle Qo entspricht, wird der Akku mit einem konstanten Ladestrom IConst bis zum Erreichen eines negativen (-ΔU) der Akku-Klemmenspannung UKi innerhalb einer Zeitspanne Δt mit konstantem Strom IConst geladen und danach die Ladung beendet bzw. nur noch mit kurzen Ladestromimpulsen mit Mittelwert Itr zur Ladungserhaltung fortgesetzt. Wahrend des Ladevorgangs wird die Strommenge aufsummiert und gegebenenfalls mit einem Ladefaktor L multipliziert. Daraus ergeben sich die dargestellten Werte der Ladung Q, wobei Q0 einem „Leer"- und Qi einem „Voll"-Zustand des Akkus entspricht .
In Diagramm Ib ist der bilanzierende Betriebsmodus 2 dargestellt, in dem je nach Richtung und Hohe des Lade/Entladestroms IL der aktuelle Wert der Ladung Q erhöht bzw. reduziert wird, wiederum gegebenenfalls unter Berücksichtigung eines Ladefaktors L. Bei Erreichen des maximalen Ladungszustands Qi wird wie bei Betriebsmodus 1 auf einen Erhaltungsladestrom Itr mit Ladepulsen umgeschaltet.
Diagramm Ic zeigt das Verhalten im Betriebsmodus 3, in dem ab Erreichen einer definierten minimalen Klem- menspannungsschwelle Uki,mm der Ladestrom IL von einem maximalen Wert lL,max reduziert wird, bis er bei Erreichen einer definierten minimalen Klemmenspannungs- schwelle üu.mm in einen konstanten Minimalstrom IL,mm übergeht, mit dem der Akku problemlos überladen wer- den kann. Dennoch wird nach Erreichen einer definierten Ladungsgrenze Qi1n, wiederum in einen Erhaltungsladstrom Itr umgeschaltet.
Figur 2 verdeutlicht die Ermittlung der zuvor be- schriebenen Norm-Klemmenspannung Uki,norm aus dem gemessenen Wert Uki,mess der Klemmenspannung UKi und den Parametern Lade/Ent-ladestrom IL und Temperatur T gemäß Uki/nOrm = Uki,mess ~ Ri (T) • IL. Bei genauer Kennt¬ nis des Innenwiderstands R1 des Akkus ergibt sich da- mit trotz deutlicher Schwankungen des gemessenen
Klemmenspannungswertes Uki,meSs ein stabiler, „normierter" Wert Uki,normf der der ladezustandsabhangigen Klemmenspannung des unbelasteten Akkus entspricht und somit z.B. für eine Erfassung des Akku-Ladungszu- Stands herangezogen werden kann. Figur 3 zeigt ein Blockschaltbild der universellen Stromversorgungseinrichtung 1 mit ihren wesentlichen funktionalen Komponenten. In einem Gehäuse G sind ein integrierter Generator 2 , im Ausführungsbeispiel ein Solargenerator als unkonstante Stromversorgung , eine Steuereinheit 5 mit Unterteilung in Leistungssteiler 11 , Mikrocontroller mit Temperaturfühler 10 und Aus- gangs-DC/DC-Wandler 9 , Akkufächer für Akkus 4 , die auch unterschiedlich sein können, und Akkukontakten 4a , Ein/Ausgabeeinheit 8 sowie Ein- und Ausgänge 3 und 6 untergebracht.
Während der Solargenerator als interne primäre Energiequelle einen von der eingestrahlten Lichtintensi- tat abhängigen Ladestrom liefert, kann über den Eingang 3 eine konstante externe Stromquelle angeschlossen werden, um damit eine sichere Funktion im Betriebsmodus 1 zu gewährleisten, wobei jedoch gegebenenfalls der Strom des Solargenerators konstant gehalten werden kann. Die Aktivierung der drei verschiedenen Betriebsmodi sowie generell eines Ladevorgangs der internen Akkus oder eines Entladevorgangs externer Verbraucher V kann über die Ein/Ausgabeeinheit 8 erfolgen und durch den Mikrocontroller 10 an die angeschlossene Peripherie umgesetzt werden; alternativ kann die Aktivierung auch automatisch bei Erkennen bestimmter Betriebszustände durch den Mikrocontroller 10 erfolgen. Die Ausgabeelemente in der Ein/Ausgabeeinheit 8 können die aktuellen Betriebsmo- di, den Akku-Ladungszustand sowie weitere Vorgänge wie z.B. Stromfluss in Eingang 3 , Stromfluss in Ausgang 6 anzeigen und z.B. aus LEDs oder einem LCD- Display gebildet werden. Als Mikrocontroller kann z.B. ein frei programmierbarer 8-Bit Controller ein- gesetzt werden, der einen integrierten oder extern angeschlossenen Temperaturfühler zur Abschaltung bei Überschreitung bestimmter akkuspezifischer Temperaturbereiche benötigt. Ein Ladungszähler, dessen Zählwert bestimmend für den Ladungszustand der Akkus ist. Die Steuereinrichtung enthält gleichfalls einen oder mehrere Speicher, die zur Speicherung der vorgegebenen Betriebswerte dienen.
Die Umsetzung der analog gemessenen Werte von Lade/Entladestrom, Akkuspannung etc. kann in einem im Mikrocontroller 10 oder auch extern in der Steuereinheit 5 integrierten Analog/Digital-Wandler erfolgen. Die Ausgabe der Stellwerte an den Leistungssteiler 11 , der den Stromfluss aus den internen und externen Stromquellen 2 und 3 und in die bzw. aus den Akkus 4 steuert, kann ebenfalls über einen im Mikrocontroller 10 integrierten oder einen externen Digital/Analog- Wandler erfolgen. Der Solargenerator 2 muss so dimensioniert sein, dass die Akkus 4 in jedem Ladungszustand geladen werden können und sich der Generator dabei in einem günstigen Arbeitspunkt befindet. Der ausgangsseitige DC/DC-Wandler 9 dient zur Erzeugung verschiedener Ausgangsspannungen aus der Akkuspannung mit hohem Wirkungsgrad, um verschiedene Verbraucher V 12 betreiben zu können. Der Wandler kann dabei vom Mikrocontroller 10 ein- und ausgeschaltet und zusätzlich auch in seinen Spannungs- oder auch Stromwerten gesteuert werden.
In Figur 4 ist die Stromversorgungseinrichtung in ei- ner beispielhaften Ausführung als mobiles Solarladegerät gezeigt. Dabei ist der Solargenerator 2 klappbar am Gehäuse G angeordnet, um eine Abschattung der im Akkufach 7 befindlichen Akkus 4 zu bewirken. An den Außenflächen des Gehäuses G sind eine Eingangs- buchse 3 , eine Ausgangsbuchse 6 sowie Ein- und Ausgabeelemente 8 angebracht. Die gesamte Steuerelektro- nik 5 befindet sich im Innern der Stromversorgungseinheit 1 :
Bezugszeichenliste
1 autarke Stromversorgungseinrichtung 2 Solargenerator 3 Anschluss für eine externe Energiequelle
4 Pufferbatterien, Akkus
4a Akkukontakte 5 Steuerelektronik 6 Anschluss für einen externen Verbraucher
7 Akkufach
8 Ein-/ Ausgabeelemente
9 Gleichspannungswandler
10 MikroController mit Temperaturfühler
11 Leistungssteiler
12 Externer Verbraucher
DC Gleichspannung
G Gehäuse
Il^ min f lL, max minimale, maximale Ladespannung I L / I∑nt Lade/Entladestrom, Entladestrom I tr Erhaltungsladestrom Iconst Konstantström μC Mikrocontroller
Qo i Qliπu Ql Ladungsschwellen, Ladungsmenge Δt Zeitspanne
U0 untere Spannungsschwelle
-ΔU negativer Spannungsabfall
U kl, mm i Uki/ Inax minimale, maximale Klemmenspannung Ukl , mess Λ UkI , norm gemessene, normierte Klemmenspannung V Verbraucher

Claims

10 2005 036 157 . 9-45Solare Innovative Solarprodukte GmbH067PCT 1142Neue Patentansprüche
1. Verfahren zur Regelung der Ladung von in einer Stromversorgungseinrichtung entnehmbar angeordneten Nickel-Cadmium oder Nickel-Metallhydrid Akkus aus konstanter oder unkonstanter Stromversorgung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in einem ersten Schritt festgestellt wird, ob der Akku entladen ist, was mittels einer de- finierten unteren Spannungsschwelle (Uo) detek- tiert wird, die der unteren Ladungsschwelle (Qo) entspricht, dass bei entladenem Zustand des Akkus und bei vorhandener konstanter Stromversorgung, die durch einen vorgegebenen konstanten Strom -
(Iconst) definiert ist, ein erster Betriebsmodus gestartet, bei dem mittels des an sich bekannten -Δü-Ladeverfahrens der entladene Akku von der unteren Ladungsschwelle (Qo) bis zu einer durch das -ΔU-Ladeverfahren vorgegebenen oberen Ladungsschwelle (Qi) geladen wird und die Differenz (Qmax) zwischen oberer und unterer Ladungsschwelle (Qi-Qo) ermittelt und gespeichert wird, die der Maximalkapazität des Akkus entspricht, dass nach dem Speichern der Differenz (Qmaχ) automatisch in einen zweiten Betriebsmodus übergegangen wird, in dem unter Zugrundelegung der Maximalkapazität des Akkus und des aktuellen Ladezustands eine Lade- und Entladebilanzierung vor- genommen wird, wobei die gespeicherte Differenz
(Qmax) bei Herausnahme des Akkus gelöscht wird, und dass, wenn beim ersten Schritt festgestellt wurde, dass der Akku nicht entladen ist und einen Undefinierten Ladezustand (U>U0, also Q>Qo) auf- weist, automatisch ein dritter Betriebsmodus gestartet wird, bei dem der Ladestrom so geregelt wird, dass er zumindest zeitweise umgekehrt proportional zu steigender Klemmenspannung des Akkus ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn beim ersten Schritt festgestellt wurde, dass die Akkuspannung über der unteren definierten Spannungsschwelle (Uo) liegt, ein Entladungsschritt gestartet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladungszustand mit einem Ladungszähler gezählt wird, wobei die definierte untere Ladungsschwelle (Qo) dem Mini¬ malzählwert des Ladungszählers entspricht, wobei letzterer zurückgesetzt wird, wenn die definierte untere Spannungsschwelle (Uo) erreicht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten und zweiten Betriebsmodus nach Erreichen der oberen Ladungs- schwelle (Qi) in einen Erhaltungslademodus übergegangen wird, bei dem der Ladestrom auf einen auf die ermittelte Akkukapazität angepassten mittleren Erhaltungsladestrom (Itr) geregelt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im dritten Betriebsmodus nach Erreichen eines voreingestellten maximalen Ladungswertes (Qüm) in einen Erhaltungs- lademodus mit einem mittleren Erhaltungsladestrom (Itr) übergegangen wird, wobei der maximale Ladungswert (Qüm) dem Wert einer vorbestimmten maximal zur erwartenden Akkukapazität ent- spricht.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Starten des dritten Betriebsmodus der Ladestrom in einem ersten Zeitbereich so geregelt wird, dass er ei- nen maximalen Wert (Iunax) aufweist, bis die
Klemmenspannung des Akkus einer minimalen Klemm- spannungsschwelle (Uki,min) erreicht, dann in einem zweiten Zeitbereich sich umgekehrt proportional zur Klemmenspannung verhält und in einem dritten Zeitbereich, nachdem eine maximale Klemmenspannungsschwelle (Uki,max) erreicht ist, einen konstanten minimalen Wert (ILmin) beibehält.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessene Klemmenspannung Uki/mess gemäß Uki,norm=Uki,mess-Ri (T) xIL normiert wird, wobei
Ri die Summe des Akkuwiderstands und aller äußeren Widerstände im Ladestromkreis, IL der Ladestrom und T die gemessene Temperatur ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da- durch gekennzeichnet, dass zumindest im ersten oder dritten Betriebsmodus als gemessene Klemmenspannung eine im stromlosen Zustand gemessene offene Klemmenspannung (Uoc) verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, da- durch gekennzeichnet, dass für alle Betriebsmodi die Klemmenspannung beim Ladevorgang auf einen Maximalwert begrenzt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorhandensein eines minimalen Ladestroms IConst detektiert wird.
11. Stromversorgungseinrichtung mit in einem Akku- fach entnehmbar angeordneten Nickel-Cadmium- oder Nickel-Metallhydrid-Akkus, die mit konstanter und unkonstanter Stromversorgung aufladbar sind, mit mindestens einem Eingang (3) für eine konstante oder unkonstante Stromquelle, einem Anschluss (6) für externe Verbraucher und mit einer Steuereinrichtung (5) zur Steuerung der Ladung der Akkus entsprechend einem ersten Betriebsmodus, einem zweiten Betriebsmodus und einem dritten Betriebsmodus, wobei die Steuerein- richtung (5) eine Vorrichtung zum Detektieren einer definierten unteren Spannungsschwelle (Uo) , die einer unteren Ladungsschwelle ent¬ spricht, eine Vorrichtung zum Detektieren eines die konstante Stromversorgung definierenden kon- stanten Stroms (IConst)r eine Speichereinheit mit einem der unteren Ladungsschwelle entsprechenden Wert, eine Vorrichtung zum Detektieren eines negativen Spannungsgradienten (-ΔU) der Klemmenspannung des Akkus, und eine Berechnungseinheit umfasst und ausgebildet ist, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 durchzuführen.
12. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine vom Benutzer aktivierbare Entladeeinrichtung der eingelegten Akkus (4).
13. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Benutzer aktivierbare Entladeeinrichtung aus einem Gleichspannungswandler (9) mit konstanter Ausgangsspannung zur definierten Versorgung extern anschließbarer Verbraucher (12) besteht.
14. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Eingabeelement (8) zur Eingabe von in den unterschiedlichen Betriebsmoden verwendeten vorgegebenen Werte (IConst/ Imaxf Itr/ iLmaxf iLmin/ Qlim,
Uo) , die in der Speichervorrichtung speicherbar sind, vorgesehen sind.
15. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Akkufächer vorgesehen sind, wobei deren Kontakte mit der Steuereinrichtung zur Detektion von in den Akkufächern angeordneten Akkus ver- bunden sind.
16. Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Akkufächer für unterschiedliche Akkutypen ausgebildet sind.
17. Stromversorgungseinrichtung nach einem der An- sprüche 11 bis 16, gekennzeichnet durch eine
Ausführung als mobiles Gerät (1), wobei die unkonstante Spannungsversorgung als feststehendes oder aufklappbares Solarmodul (2) ausgebildet ist und die Steuereinrichtung mit Akkufach un- terhalb des Solarmoduls liegt.
PCT/EP2006/007592 2005-07-27 2006-07-26 Verfahren zur laderegelung von nickel-cadmium und nickel-metallhydrid akkus und stromversorgungseinrichtung WO2007012504A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP06762920A EP1913671A1 (de) 2005-07-27 2006-07-26 Verfahren zur laderegelung von nickel-cadmium und nickel-metallhydrid akkus und stromversorgungseinrichtung

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102005036157.9 2005-07-27
DE102005036157A DE102005036157A1 (de) 2005-07-27 2005-07-27 Verfahren zur Laderegelung von Nickel-Cadmium und Nickel-Metallhydrid Akkus und universelle Stromversorgungseinrichtung mit verschiedenen Stromquellen

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2007012504A1 true WO2007012504A1 (de) 2007-02-01

Family

ID=37308796

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2006/007592 WO2007012504A1 (de) 2005-07-27 2006-07-26 Verfahren zur laderegelung von nickel-cadmium und nickel-metallhydrid akkus und stromversorgungseinrichtung

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP1913671A1 (de)
DE (1) DE102005036157A1 (de)
WO (1) WO2007012504A1 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2944162B1 (fr) * 2009-04-03 2011-04-22 Saft Groupe Sa Systeme d'alimentation electrique et procede de controle de charge de generateurs electrochimiques
FR2956783B1 (fr) * 2010-02-19 2012-08-31 Far Group Europ Chargeur solaire portatif et procede d'utilisation associe

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0669693A1 (de) * 1994-02-28 1995-08-30 Black & Decker Inc. Vorrichtung zur Nachladung einer Batterie mit mitteln zur Bestimmung des Ladezustandes zur Vermeidung einer Überladung
US5686815A (en) * 1991-02-14 1997-11-11 Chartec Laboratories A/S Method and apparatus for controlling the charging of a rechargeable battery to ensure that full charge is achieved without damaging the battery
EP1341286A2 (de) * 2002-02-28 2003-09-03 Black & Decker Inc. Batterielader und Ladungsverfahren

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE29611978U1 (de) * 1996-07-10 1997-02-13 Muntermann, Axel, 35583 Wetzlar Akkumulator
JP3676134B2 (ja) * 1998-11-30 2005-07-27 三洋電機株式会社 充放電制御方法

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5686815A (en) * 1991-02-14 1997-11-11 Chartec Laboratories A/S Method and apparatus for controlling the charging of a rechargeable battery to ensure that full charge is achieved without damaging the battery
EP0669693A1 (de) * 1994-02-28 1995-08-30 Black & Decker Inc. Vorrichtung zur Nachladung einer Batterie mit mitteln zur Bestimmung des Ladezustandes zur Vermeidung einer Überladung
EP1341286A2 (de) * 2002-02-28 2003-09-03 Black & Decker Inc. Batterielader und Ladungsverfahren

Also Published As

Publication number Publication date
EP1913671A1 (de) 2008-04-23
DE102005036157A1 (de) 2007-02-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2165402B1 (de) Vorrichtung, insbesondere ladegerätvorrichtung, zum laden eines akkumulators
DE69824887T2 (de) Verfahren und vorrichtung zum laden einer wiederaufladbaren batterie
EP1811592B1 (de) Batterie
EP0124739B1 (de) Schaltungsanordnung zur kapazitätsabhängigen Nachladung eines Akkumulators
EP1855344B1 (de) Akkumulatoranordnung
DE102005011081A1 (de) Akkumulator und Verfahren zu dessen Betrieb
WO2020108970A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur abschätzung des gesundheitszustands eines wechselakkus
EP3017521B1 (de) Vorrichtung und verfahren zum ladungsausgleich einer energiespeicheranordnung
DE10362316B4 (de) System für das Laden einer Batterie
DE202007017829U1 (de) Lithium-Batterie-Pack und System zu dessen Aufladung
DE10035959A1 (de) Verfahren zum Entladen einer Vielzahl von wiederaufladbaren Batterien und Batteriebaugruppe
WO2002060030A1 (de) Stromversorgungs-einrichtung
DE4225088A1 (de) Batterieentladevorrichtung
DE10297088T5 (de) Mehrplateau-Batterieaufladeverfahren und -system zum Aufladen zum zweiten Plateau
DE112005001217T5 (de) Verfahren und System zum Batterieladen
WO2014005676A1 (de) Hybrider elektrochemischer energiespeicher
DE102009000336A1 (de) Impedanzmessung von elektrochemischen Energiespeichern in Fahrzeugen
DE10297404T5 (de) Mehrplateau-Batterieaufladeverfahren und -system, um das erste Plateau voll aufzuladen
DE102008059392A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Ladung von Akkus
WO2007012504A1 (de) Verfahren zur laderegelung von nickel-cadmium und nickel-metallhydrid akkus und stromversorgungseinrichtung
DE69830888T2 (de) Verfahren zum temperaturabhängigen Laden einer Hilfsstromquelle welche einer Selbstentladung unterliegt
EP0114871A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum überwachen der jeweils eingeladenen kapazität von akkumulatoren.
DE4140827A1 (de) Vorrichtung zum laden von bleiakkumulatoren an ladegeraeten fuer nickel-cadmium-akkumulatoren
DE19847988A1 (de) System zur automatischen Ladung von wiederaufladbaren galvanischen Elementen mit festgesetzten und flüssigen Elektrolyten
DE102004037330B4 (de) Autarke Stromversorgungseinrichtung

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2006762920

Country of ref document: EP

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 2006762920

Country of ref document: EP