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DE102005036157A1 - Method for charge control of nickel-cadmium and nickel-metal hydride batteries and universal power supply device with various power sources - Google Patents

Method for charge control of nickel-cadmium and nickel-metal hydride batteries and universal power supply device with various power sources Download PDF

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DE102005036157A1
DE102005036157A1 DE102005036157A DE102005036157A DE102005036157A1 DE 102005036157 A1 DE102005036157 A1 DE 102005036157A1 DE 102005036157 A DE102005036157 A DE 102005036157A DE 102005036157 A DE102005036157 A DE 102005036157A DE 102005036157 A1 DE102005036157 A1 DE 102005036157A1
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Germany
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charging
battery
power supply
batteries
charge
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Withdrawn
Application number
DE102005036157A
Other languages
German (de)
Inventor
Oliver Dr. Lang
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Solarc Innovative Solarprodukte GmbH
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.)
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Publication date
Application filed by Solarc Innovative Solarprodukte GmbH filed Critical Solarc Innovative Solarprodukte GmbH
Priority to DE102005036157A priority Critical patent/DE102005036157A1/en
Priority to EP06762920A priority patent/EP1913671A1/en
Priority to PCT/EP2006/007592 priority patent/WO2007012504A1/en
Publication of DE102005036157A1 publication Critical patent/DE102005036157A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Laderegelung für Stromversorgungseinrichtungen mit entnehmbarem 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 die im Prinzip bekannten Verfahren -DELTAU-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.The invention describes a method for charging control for power supply devices with removable nickel-cadmium or nickel-metal hydride batteries with either constant or non-constant power sources and a universal, inexpensive power supply device with this method. In addition to the possibility of charging batteries internally, such devices also offer the possibility of charging or operating external small mobile devices, the internal batteries then serving as a buffer. In the case of the present invention, the methods known in principle — DELTAU shutdown, balancing and W charging are used in a modified form either selectively or in a special chronological sequence. This means that batteries with initially unknown capacity can also be used with inconsistent power sources such as B. Solar generators can be defined and fully charged with an exact charge status indicator. In addition, in the operating modes balancing and W-charging, it is also possible to discharge the internal batteries for operating external devices. In addition to control electronics (5), a power supply device (1) according to the invention contains an integrated solar generator (2), rechargeable batteries (4), an input (3) for external power sources and an output (6) for external consumers.

Description

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.The The invention relates to a charging control method for power supply devices with removable nickel-cadmium (NiCd) or nickel-metal hydride (NiMH) Batteries with either constant or non-constant current sources as well as a universal power supply device with this Method.

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 Stromversorgungsgeräte wie z.B. Solarlader oder Kurbelgeneratoren interessant.NiCd and especially NiMH batteries are characterized by a high energy density, a high number of charge cycles, a low internal resistance and flat discharge curves. In particular, these are battery systems available as round cells in the typical sizes AAA, AA, C and D, the used in many mobile consumer products for power become. Due to their rated voltage of approx. 1.2 V, they are also replaceable through or replace usual Alkaline manganese or zinc-carbon primary cells with 1.5 V nominal voltage. Due to these characteristics, NiCd / NiMH batteries are also suitable for mobile use Power Devices such as. Solar charger or crank generators interesting.

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-Laderegelung angewendet werden, da NiCd/NiMH Akkus bei zunehmendem Ladungszustand durch interne Gasungsprozesse und damit einhergehenden Druck- und Temperaturanstieg die Klemmenspannung begrenzen und nach Erreichen des Vollzustands sogar leicht absenken. Bisherige Ladegeräte für NiCd/NiMH Akkus arbeiten daher prinzipiell mit folgenden Verfahren:

  • a) Feste Bilanzierung: Konstantstrom mit fest eingestelltem Timer
  • b) Variable Bilanzierung: Ladungszählung mit variablem Maximalwert
  • c) Abtastung des Spannungsverlaufs: –ΔU-Verfahren mit Abschaltung bei Abnahme der Klemmenspannung um einen definierten Wert ΔU
  • d) Abtastung des Temperaturverlaufs: Abschaltung bei Erreichen einer Maximaltemperatur Tmax bzw. eines maximalen Temperaturanstiegs dT/dt
  • e) Diverse Verfahren mit Abtastung anderer innerer Akkuparameter wie z.B. Impedanz, dynamische Parameter etc. (z.B. CCS-Ladeverfahren der Fa. BTI in Kooperation mit der TU Graz).
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, since NiCd / NiMH batteries with increasing charge state by internal gassing processes and thus accompanying 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:
  • a) Fixed balancing: Constant current with permanently set timer
  • b) Variable balancing: charge counting with variable maximum value
  • c) Scanning of the voltage curve: -ΔU-method with switch-off when the terminal voltage decreases by a defined value ΔU
  • d) sampling of the temperature profile: shutdown when a maximum temperature T max or a maximum temperature rise dT / dt is reached
  • e) Various methods with sampling of other internal battery parameters such as impedance, dynamic parameters etc. (eg CCS charging method of BTI in cooperation with Graz University of Technology).

Bis auf die relativ aufwendigen Verfahren e) verlangen sämtliche der oben genannten Verfahren entweder konstante Ladestromquellen (Verfahren a, c, d) oder eine 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 unkonstantem Ladestrom ist somit auf eine Verwendung der für Consumergeräte zu aufwendigen Verfahren e) beschränkt.To on the relatively complex process e) require all the above method either constant charging current sources (Method a, c, d) or a knowledge of the battery capacity used (method b). A mobile charger with a charging slot for NiCd / NiMH batteries of any capacity for operation with different, Even autarkic power sources with inconsistent charging current is thus on a use of for Consumer devices too complicated process e) limited.

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 A1 , DE 203 11 011 U1 , CA 2 409 465 A1 , 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 Ladekontrolle bei derartigen Ladeeinrichtungen verwendet, sondern – ebenso wie bei den unkonstanten Stromquellen – eine unbegrenzte Überladung der eingelegten Akkus in Kauf genommen.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 the 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.solarserver.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. In most of the aforementioned inventions devices for connection to constant current sources such as power supplies or 12V car batteries are integrated in addition to the self-sufficient, non-constant power sources. This makes it possible, in the presence of such power sources to achieve a relatively fast and safe charging, especially if, for example, in the case of a solar charger no sufficient solar radiation is available. In the current state of the art, however, none of the charging method described above is used for charging control in such charging devices, but - as well as the non-constant power sources - an unlimited overload of the inserted batteries accepted.

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 werden im folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.The Task for The present invention is therefore to provide a Process for the regulated charging of any NiCd / NiMH batteries by different, optionally constant or non-constant current sources without pre-setting the battery capacity, as well as a mobile power supply, which uses this principle and is constructed accordingly. The inventive solution for this The object is the main claim and claim 10 refer. advantageous Further developments of the charging method according to the invention and the Power supply device are the respective dependent claims and will be discussed below in connection with the invention explained in more detail.

Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist das in einem festgelegten zeitlichen bzw. funktionalen Schema 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.Essential for the present invention is the cooperation of three im. In a fixed temporal or functional scheme Principle known charging method, but taken alone or in a simple juxtaposition can not meet the above-formulated task. This results in a novel, self-tuned total charging method that covers all real-world requirements and can be realized inexpensively with a conventional microcontroller circuit. The basis for this is a power supply device which can be operated in the mobile case with non-constant power sources (eg solar generator), in the stationary case, however, with constant current sources (eg mains adapter). Furthermore, this device must be able to cause a discharge of the inserted removable batteries when supplying external consumers (eg mobile phones).

Folgende Fälle sind dabei nun möglich:

  • 1. Der eingelegte Akku ist nahezu entladen (Q = Q0), was anhand einer definierten unteren Spannungsschwelle U0 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 ein Entladevorgang mit einem Entladestrom -IEL gestartet werden, in dem der Akku bis zur Schwelle U0 definiert entladen wird. Wird die Ladeeinrichtung danach mit einer konstanten Stromversorgung mit einem definierten Mindest-Ladestrom Iconst betrieben, der ebenfalls durch die Ladeeinrichtung detektiert 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 Ukl innerhalb einer Zeitspanne Δt mit konstantem Strom Iconst geladen und danach die Ladung beendet. Die so in den Akku eingeladene Strommenge Iconst·Δt = (Q1 – Q0)·L entspricht der realen Kapazität Q1 – Q0 = Qmax = Creal des Akkus mal einem Ladefaktor L, der die reziproke Effizienz des Ladungsprozesses beschreibt. Die „Kapazität" C von Akkus wird dabei üblicherweise in Ladungseinheiten (Q = I·t) angegeben. Nach der automatischen Beendigung der Ladung wird der Wert Qmax des Ladungszählers intern gespeichert, damit gilt der Akku als kalibriert. Der Wert Iconst kann im Bereich 0,3 bis 2 der zu erwartenden Akkukapazität in Ampère-Einheiten, also z.B. bei 2 Ah-Akkus 0,6 bis 4A, liegen.
  • 2. Der in der Ladeeinrichtung befindliche Akku wurde 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 gespeichert 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 Stromkonstanz spielt für den gemäß Q(t) = Q0 + ∫I(t)/L(t)dt ermittelten Ladungszustand keine Rolle. In diesem Zustand ist bei hinreichender Kenntnis des Ladefaktors L(t) auch eine genaue Ladezustandsanzeige möglich. 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 Schwelle U0 auf, noch wird eine Entladung vom Benutzer gestartet. In diesem Falle wird automatisch oder auch durch den Benutzer der Betriebsmodus 3 aktiviert, der ebenfalls wie Modus 2 mit konstanten oder unkonstanten 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 Strombegrenzung, insbesondere bei steigendem Ladungszustand des Akkus (entsprechend I = W/U), und andererseits den Nachteil einer relativ ungenauen Ladungszustandsanzeige, 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.
The following cases are possible:
  • 1. The inserted battery is almost discharged (Q = Q 0 ), which is automatically detected on the basis of a defined lower voltage threshold U 0 . This threshold is typically in the range 1.15 and 1.25 V. If the battery is not already in the discharged state, the user can start a discharge process with a discharge current -I EL , in which the battery is defined up to the threshold U 0 unloaded. If the charging device is then operated with a constant current supply with a defined minimum charging current I const , which is likewise detected by the charging device, the operating mode 1 is started automatically or even by the user. In this case, the battery with the aid of the known -ΔU charging method until a negative voltage gradient (-ΔU) of the terminal voltage U kl is charged within a period of time .DELTA.t with constant current I const and then terminates the charge. The amount of current I const * Δt = (Q 1 -Q 0 ) * L thus charged into the battery corresponds to the real capacity Q 1 -Q 0 = Q max = C real of the battery times a charging factor L, which describes the reciprocal efficiency of the charging process , The "capacitance" C of the batteries is thereby usually in units of charge (Q = I · t) indicated. After the automatic completion of the charge, the value Q max of the load counter is stored internally to the battery, the value I is considered to be calibrated. Const may be in the Range 0.3 to 2 of the expected battery capacity in ampere units, so for example in 2 Ah batteries 0.6 to 4A, are.
  • 2. The battery in the charger was measured (calibrated) in operating mode 1. After this process, the charging device automatically goes into the balancing operating mode 2, since now the battery capacity C = Q max and also the current state of charge is known and stored. If a discharge then takes place in a connected small appliance, then the charge counter is counted down from the current value; if it is charged with constant or non-constant current sources, it is counted up; the current constancy plays no role for the charge state determined according to Q (t) = Q 0 + ∫I (t) / L (t) dt. In this state, with sufficient knowledge of the charge factor L (t) and a precise charge status display is possible. This state is only left again and thus the charge counter and the stored capacity value reset when the battery is removed because the charging device does not "notice" whether afterwards the same battery with the same charge state is inserted.
  • 3. The battery has after inserting into the battery compartment neither a terminal voltage below the threshold U 0 , nor is a discharge started by the user. In this case, automatically or by the user of the operating mode 3 is activated, which can also be operated as Mode 2 with constant or non-constant power sources. This is a modification of the "W-charge" method previously used occasionally for lead-acid batteries, during which the charging current is regulated down in inverse proportion to the increasing battery terminal voltage, thus producing a constant power product W = U · I This method contains, on the one hand, the disadvantage of limiting the current compared to a balancing method as in mode 2, in particular when the state of charge of the battery is increasing (corresponding to I = W / V), and on the other hand the disadvantage of a relatively inaccurate charge state indication, which here only occurs at the terminal voltage of the battery Nevertheless, this method is a better, above all, safer alternative than the unregulated methods hitherto used in the described chargers.

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 Kombination werden durch die folgenden Weiterbildungen noch vergrößert:

  • – Im Betriebsmodus 2 erfolgt ein Zurücksetzen des Ladungszählers auf den Wett Q0, sobald durch einen Entladevorgang oder auch durch Selbstentladung die definierte untere Spannungsschwelle U0 erreicht wird. Dadurch 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 üblichen 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 Maximalwert IL,max bei Erreichen einer ersten Klemmenspannungsschwelle Ukl1 bis zu einem Minimalwert IL,min bei Erreichen einer zweiten Klemmenspannungsschwelle Ukl2 vorgesehen.
  • – Noch genauer wird dieses Verfahren durch die Berechnung eines sogenannten „Normwertes" der Akku-Klemmenspannung Ukl,norm, der durch das Einbeziehen aller Innenwiderstände Ri(T) im Gesamtsystem inklusive Akku gemäß Ukl,norm = Ukl,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 Ukl,norm entspricht im Idealfall genau der Ruhespannung bzw. offenen Klemmenspannung Uoc des Akkus. Anstatt der oben beschriebenen Normspannung Ukl,norm kann auch die nach Abschalten aller Ströme in den oder aus dem Akku gemessene Spannung Uoc für den Betriebsmodus 3 herangezogen werden. Nachteilig dabei sind jedoch die notwendigen Abschaltvorgänge des Stroms in den bzw. aus dem Akku, die bei einem eventuellen Entladebetrieb in ein angeschlossenes Endgerät stören. Somit eignet sich die stromlose Messmethode in erster Linie für reine Ladegeräte ohne zusätzliche Stromversorgungsfunktion für externe Geräte.
  • – Weiterhin wird in Betriebsmodus 3 ab dem Zeitpunkt des Einlegens eines Akkus unabhängig von dessen Ladungszustand der interne Ladungszähler mit Q = Q0 gestartet und bei Erreichen eines intern festgelegten Grenzwertes Qlim gestoppt. Danach wird der Ladestrom auf einen niedrigen Erhaltungsladestromwert Itr heruntergeregelt. Der Wert Qlim sollte dabei über dem maximal zu erwartenden Kapazitätswert 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.
  • – In den beiden Betriebsmodi 1 und 2 wird ebenfalls der Ladestrom auf einen niedrigen Erhaltungsladestromwert Itr im Bereich ca. 0,01 bis 0,05·Qmax/h heruntergeregelt, sobald der Wert Qmax erreicht ist. In diesem Erhaltungslademodus wird der Ladungszähler nicht weiter hochgezählt, der Akku kann in diesem Zustand für unbegrenzte Zeit (abgesehen von seiner kalendarischen Lebensdauer) im Voll-Zustand gehalten werden. Idealerweise wird der Erhaltungsladestrom aus kurzen Strompulsen in Höhe des typischen Ladestroms gebildet, um die Ladeeffizienz zu steigern.
  • – In allen drei beschriebenen Modi kann eine obere Spannungsschwelle der Klemmenspannung Ukl,max implementiert werden, die der maximalen Ladespannung von aufladbaren 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 selbsttätig zurückgeregelt. Da diese Schwelle über der typischen 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 Notreserve 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.
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 combination are further enhanced by the following developments:
  • - In operating mode 2, a reset of the charge counter takes place on the betting Q 0 as soon as the defined lower voltage threshold U 0 is reached by a discharge process or by self-discharge. This prevents "running away" of the charge counter from the actual charge state, for example due to a different charge factor L.
  • In operating mode 3, in contrast to the previously used primitive methods of the W charging control described above, the one example exploit decreasing charge current through the internal resistance of a network transformer with increasing secondary voltage, a precisely defined decrease of the charging current I L from a maximum value I L, max when reaching a first terminal voltage threshold U kl1 to a minimum value I L, min when reaching a second terminal voltage threshold U kl2 ,
  • - This process is even more accurate by calculating a so-called "standard value" of the battery terminal voltage U kl, norm , by the inclusion of all internal resistance R i (T) in the overall system including battery according to U kl, norm = U kl, mess - R i (t) · I L is independently of the current charging or discharging current I L. Using this correctable also a function of the temperature T terminal voltage also a more exact correlation between the terminal voltage and battery state of charge is possible. the size of U kl, norm corresponds in the ideal case exactly the open circuit voltage and the open terminal voltage V oc of the battery. Instead of the standard voltage above described U kl, norm may also be measured after switching off of all flows in or out of the battery voltage V oc are used for the operation mode 3. disadvantage of this, however, the necessary shutdowns of the power in and out of the battery, which interfere with a possible unloading operation in a connected terminal Som The currentless measuring method is primarily suitable for use with pure chargers without additional power supply function for external devices.
  • - Furthermore, in the operating mode 3 from the time of insertion of a battery regardless of its charge state of the internal charge counter with Q = Q 0 is started and stopped when reaching an internally set limit Q lim . Thereafter, the charging current is reduced to a low trickle charging current value I tr . The value Q lim should be above the maximum expected capacity value of all possible batteries to use, so that a battery is fully charged in any case. Thus, this mode has over the previously known "W-charging" significant advantages, since no more unlimited overload is possible.
  • - In the two modes of operation 1 and 2, the charging current is also down to a low trickle charge current value I tr in the range of about 0.01 to 0.05 · Q max / h, as soon as the value Q max is reached. In this trickle charge mode, the charge counter stops counting, and the battery can be kept full for an indefinite period of time (except for its calendar life). Ideally, the trickle charge current is formed from short current pulses equal to the typical charging current to increase charging efficiency.
  • - In all three modes described, an upper voltage threshold of the terminal voltage U kl, max can be implemented, which corresponds to the maximum charging voltage of rechargeable alkaline manganese batteries (RAM) and is typically 1.65 to 1.7V. From reaching this threshold then no further increase is possible and the charging current is automatically controlled back by the battery. Since this threshold is higher than the typical charging voltage of NiMH or NiCd batteries, there is no limit to these. Also, by this measure, the use of alkaline manganese primary cells in a charger as an emergency reserve eg for the supply of externally connected small appliances possible. Accidental charging of these cells can not lead to overcharging or leakage of electrolyte.

Es wird nun eine universelle Stromversorgungseinrichtung beschrieben, die eine konkrete Umsetzung des oben 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 Anschluss für externe Verbraucher. Mit den genannten Komponenten lässt sich die aus dem Stand der Technik resultierende Aufgabe erfüllen, sowohl intern eingelegte 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 einem frei programmierbaren Microcontroller realisiert werden, der über A/D- und D/A-Wandler mit den Ein- und Ausgängen kommuniziert. Die Implementierung der 3 oben beschriebenen Ladeverfahren 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 unkonstante 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.It Now a universal power supply device is described, a concrete implementation of the above-explained method with suitable Represents components. These are at least one control electronics with the charging methods described above, one input for constant and non-constant power sources, a battery compartment for removable batteries and a Connection for external consumers. With the components mentioned can be the to accomplish the task resulting from the prior art, both Internally inserted NiCd or NiMH batteries of any capacity with constant or even uncontrolled power sources regulated charge as well Connected external small mobile devices such. Mobile phones or Organizer to charge or operate, with the internal batteries then serve as a buffer. The control electronics can typically be realized by means of a freely programmable microcontroller, the over A / D and D / A converter communicates with the inputs and outputs. The implementation 3 charging method described above as well as other methods for others Battery systems such as e.g. Li-ion or RAM (chargeable alkali-manganese Batteries) is therefore inexpensive realizable. Instead or in addition to the entrance for Unconstant power sources, the device itself can also be a self-sufficient Power source, e.g. a solar generator. This is one advantageous development of the invention as a mobile device with at least a rigid or hinged solar module and one from the sun remote control unit with battery compartment possible.

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 Betriebs- oder Ladespannungen im Bereich von ca. 5 bis 12 Volt benötigt.Since defined to start the operating mode 1 discharged batteries must be inserted, an additional user-activated discharge can be provided. Otherwise, the discharge takes place in externally connected consumers, as a further development of the invention, 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 adapt to different consumers. For typical small devices such as mobile phones, organizers or GPS devices operating or charging voltages in the range of about 5 to 12 volts are needed.

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, Itr, IL,max, IL,min, Qlim 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 Imax und Itr entsprechend 600 bis 1200 mA und 25 bis 50 mA sowie Qlim 2500 mAh betragen, IL,max 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 Detektion 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 Detektionsanschluss 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 Detektion und Weitermeldung des Akkutyps an die Steuereinheit erfolgt ebenso wie zuvor beschrieben.In order to adapt the control electronics at least partially to the used batteries and thus to exclude a possible misconduct, a setting possibility of at least one of the variables I const , I max , I tr , I L, max , I L, min , Q lim depending on the housing size and / or the capacity and / or the number of inserted batteries are provided. As an example of NiMH battery housing sizes and corresponding capacities AA batteries (mignon) with about 1.0 to 2.2 Ah can be called, in contrast, reach NiCd AA batteries only about 500 to 900 mAh. For example, to charge AA batteries of both systems NiMH and NiCd in a battery compartment, a capacitance range of 500 to 2200 mAh must be covered. As a reasonable compromise for I const for error-free implementation of the -ΔU charging method in operating mode 1, a range of about 500 to 1000 mA may be mentioned, for the other modes I max and I tr corresponding to 600 to 1200 mA and 25 to 50 mA and Q lim are 2500 mAh, I L, max and I L, min may be in the range between I max and I tr . If you now allow multiple battery compartments connected in parallel, these values should be multiplied by the number of battery compartments, otherwise either a maximum charge or capacity will result in a charge with too high currents or a minimum charge and an increase of the fixed values he follows. The necessary detection of the battery number can be done by means of two at the negative or positive pole each battery compartment arranged contacts, which are connected to each other by the contact surface of the inserted batteries. The detection terminal then leads to the control unit and causes the corresponding changeover of the values in the microcontroller. In addition, 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.

Beispielhafte Ausbildungsformen des Ladeverfahrens sowie der Stromversorgungseinrichtung nach der Erfindung werden anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigtexemplary Forms of the charging method and the power supply device according to The invention will be explained in more detail with reference to the schematic figures. there shows

1a–e einen Vergleich der drei Betriebsmodi 1 bis 3 anhand von Diagrammen 1a -E a comparison of the three operating modes 1 to 3 based on diagrams

2 ein Diagramm mit den Größen Klemmenspannungs-Messwert und -Normwert 2 a diagram with the values terminal voltage measured value and standard value

3 ein Blockschaltbild der universellen Stromversorgungseinrichtung 3 a block diagram of the universal power supply device

4 eine perspektivische Außenansicht des prinzipiellen Aufbaus der universellen Stromversorgungseinrichtung in einer beispielhaften Ausführung als mobiles Solarladegerät. 4 an external perspective view of the basic structure of the universal power supply device in an exemplary embodiment as a mobile solar charger.

In 1 werden die Betriebsmodi 1 bis 3 anhand der Diagramme 1a bis 1c mit einem beispielhaften Verlauf der Größen Akku-Klemmenspannung Ukl, Ladestrom IL und Ladung Q über der Zeit t dargestellt. Im Diagramm 1a wird dabei der Akku zunächst von einem Ladungszustand Q > Q0 bis Q = Q0 entladen, was z.B. über einen angeschlossenen externen Verbraucher geschehen kann, in den aus dem Akku ein Entladestrom –IEnt transferiert wird. Bei Erreichen einer definierten unteren Spannungsschwelle U0, die hier der unteren Ladungsschwelle Q0 entspricht, wird der Akku mit einem konstanten Ladestrom Iconst bis zum Erreichen eines negativen Spannungsgradienten (–ΔU) der Akku-Klemmenspannung 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. Während 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 Q1 einem „Voll"-Zustand des Akkus entspricht. In Diagramm 1b ist der bilanzierende Betriebsmodus 2 dargestellt, in dem je nach Richtung und Höhe 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 Q1 wird wie bei Betriebsmodus 1 auf einen Erhaltungsladestrom Itr mit Ladepulsen umgeschaltet. Diagramm 1c zeigt das Verhalten im Betriebsmodus 3, in dem ab Erreichen einer definierten minimalen Klemmenspannungsschwelle Ukl,min der Ladestrom IL von einem maximalen Wert IL,max reduziert wird, bis er bei Erreichen einer definierten minimalen Klemmenspannungsschwelle Ukl,min in einen konstanten Minimalstrom IL,min übergeht, mit dem der Akku problemlos überladen werden kann. Dennoch wird nach Erreichen einer definierten Ladungsgrenze Qlim wiederum in einen Erhaltungsladstrom Itr umgeschaltet.In 1 the operating modes 1 to 3 with reference to the diagrams 1a to 1c with an exemplary course of the sizes battery terminal voltage U kl , charging current I L and charge Q over the time t shown. In the diagram 1a, the battery is first discharged from a charge state Q> Q 0 to Q = Q 0 , which can be done, for example, via a connected external load into which a discharge current -I Ent is transferred from the battery. Upon reaching a defined lower voltage threshold U 0 , which here corresponds to the lower charge threshold Q 0 , the battery with a constant charging current I const until reaching a negative voltage gradient (-ΔU) of the battery terminal voltage within a period .DELTA.t with constant current I const charged and then terminated the charge or continued only with short charging current pulses with mean value I tr to charge conservation. During the charging process, the amount of electricity is summed up and possibly multiplied by a charging factor L. This results in the illustrated values of the charge Q, where Q 0 corresponds to an "empty" and Q 1 corresponds to a "full" state of the rechargeable battery. Diagram 1b 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. Upon reaching the maximum charge state Q 1 is switched as in operating mode 1 to a trickle charging current I tr with charging pulses. Diagram 1c shows the behavior in the operation mode 3, in which after reaching a defined minimum clamping voltage threshold U kl, min of the load current I L from a maximum value I L is reduced max until it upon reaching a defined minimum clamping voltage threshold U kl, min in a constant minimum current I L, min passes, with which the battery can be easily overloaded. Nevertheless, after reaching a defined charge limit Q lim is in turn switched to a trickle charge current I tr .

2 verdeutlicht die Ermittlung der zuvor beschriebenen Norm-Klemmenspannung Ukl,norm aus dem gemessenen Wert Ukl,mess und den Parametern Lade/Entladestrom IL und Temperatur T gemäß Ukl,norm = Ukl,mess – Ri(T)·IL. Bei genauer Kenntnis des Innenwiderstands Ri des Akkus ergibt sich damit trotz deutlicher Schwankungen des gemessenen Klemmenspannungswertes Ukl,mess ein stabiler, „normierter" Wert Ukl,norm, der der ladezustandsabhängigen Klemmenspannung des unbelasteten Akkus entspricht und somit z.B. für eine Erfassung des Akku-Ladungszustands herangezogen werden kann. 2 clarifies the determination of the previously described standard terminal voltage U kl, norm from the measured value U kl, mess and the parameters charging / discharging current I L and temperature T according to U kl, norm = U kl, mess - R i (T) · I L. With a precise knowledge of the internal resistance R i of the battery, this results in a stable, "normalized" voltage despite significant fluctuations in the measured terminal voltage value U kl value "U kl, norm , which corresponds to the charging state-dependent terminal voltage of the unloaded battery and thus can be used eg for detecting the battery state of charge.

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, eine Steuereinheit (5) mit Unterteilung in Leistungssteller (11), Mikrocontroller mit Temperaturfühler (10) und Ausgangs-DC/DC-Wandler (9), Akkus (4) mit Akkukontakten (4a), Ein/Ausgabeeinheit (8) sowie Ein- und Ausgänge (3) und (6) untergebracht. Während der Solargenerator als interne primäre Energiequelle einen von der eingestrahlten Lichtintensität abhängigen Ladestrom liefert, kann über den Eingang (3) eine konstante externe Stromquelle angeschlossen werden, um damit eine sichere Funktion im Betriebsmodus 1 zu gewährleisten. 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 Betriebsmodi, 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 eingesetzt werden, der einen integrierten oder extern angeschlossenen Temperaturfühler zur Abschaltung bei Überschreitung bestimmter akkuspezifischer Temperaturbereiche benötigt. 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 Leistungssteller (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. 3 shows a block diagram of the universal power supply device ( 1 ) with their essential functional components. In a housing G are an integrated generator ( 2 ), in the exemplary embodiment a solar generator, a control unit ( 5 ) with subdivision into power controller ( 11 ), Microcontroller with temperature sensor ( 10 ) and output DC / DC converters ( 9 ), Batteries ( 4 ) with battery contacts ( 4a ), Input / output unit ( 8th ) as well as inputs and outputs ( 3 ) and ( 6 ) housed. While the solar generator supplies a charging current dependent on the incident light intensity as the internal primary energy source, the input ( 3 ) are connected to a constant external power source to ensure safe operation in operating mode 1. The activation of the three different operating modes and, in general, a charging process of the internal batteries or a discharging process of external consumers V can be achieved via the input / output unit ( 8th ) and by the microcontroller ( 10 ) are converted to the connected peripherals; Alternatively, the activation can also be detected automatically when certain operating states are detected by the microcontroller ( 10 ) respectively. The output elements in the input / output unit ( 8th ), the current operating modes, the battery state of charge and other processes such as current flow in input ( 3 ), Current flow in output ( 6 ) and formed, for example, from LEDs or an LCD display. As a microcontroller, for example, a freely programmable 8-bit controller can be used, which requires an integrated or externally connected temperature sensor for switching off when certain battery-specific temperature ranges. The conversion of the analog measured values of charge / discharge current, battery voltage, etc. can be in a microcontroller ( 10 ) or externally in the control unit ( 5 ) integrated analog / digital converter. The output of the control values to the power controller ( 11 ), which measures the current flow from the internal and external power sources ( 2 ) and ( 3 ) and in or out of the batteries ( 4 ), can also be controlled via a microcontroller ( 10 ) or an external digital / analog converter. The solar generator ( 2 ) must be dimensioned so that the batteries ( 4 ) can be charged in any state of charge and the generator is in a favorable operating point. The output side DC / DC converter ( 9 ) is used to generate different output voltages from the battery voltage with high efficiency to different consumers V ( 12 ) to be able to operate. The converter can be controlled by the microcontroller ( 10 ) are switched on and off and additionally controlled in its voltage or current values.

In 4 ist die Stromversorgungseinrichtung in einer 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 Eingangsbuchse (3), eine Ausgangsbuchse (6) sowie Ein- undIn 4 the power supply device is shown in an exemplary embodiment as a mobile solar charger. The solar generator ( 2 ) hinged on the housing G to a shading of the battery compartment ( 7 ) ( 4 ) to effect. On the outer surfaces of the housing G are an input jack ( 3 ), an output jack ( 6 ) as well as inputs and

Ausgabeelemente (8) angebracht. Die gesamte Steuerelektronik (5) befindet sich im Innern der Stromversorgungseinheit (1).Output elements ( 8th ) appropriate. The entire control electronics ( 5 ) is located inside the power supply unit ( 1 ).

11
autarke Stromversorgungseinrichtungself-sufficient Power supply
22
Solargeneratorsolar generator
33
Anschluss für eine externe Energiequelleconnection for one external energy source
44
Pufferbatterien, AkkusBackup batteries, batteries
4a4a
Akkukontaktebattery contacts
55
Steuerelektronikcontrol electronics
66
Anschluss für einen externen Verbraucherconnection for one external consumer
77
Akkufachbattery
88th
Ein-/AusgabeelementeInput / output elements
99
GleichspannungswandlerDC converter
1010
Mikrocontroller mit Temperaturfühlermicrocontroller with temperature sensor
1111
Leistungsstellerpower controllers
1212
Externer Verbraucherexternal consumer
DCDC
GleichspannungDC
GG
Gehäusecasing
IL,min, IL,max I L, min , I L, max
minimale, maximale Ladespannungminimum, maximum charging voltage
IL, IEnt I L , I Ent
Lade/Entladestrom, EntladestromCharge / discharge current, discharge
Itr I tr
ErhaltungsladestromTrickle charge current
Iconst I const
Konstantstromconstant current
μC.mu.C
Mikrocontrollermicrocontroller
Q0, Qlim, Q1 Q 0 , Q lim , Q 1
Ladungsschwellen, LadungsmengeCharge thresholds, amount of charge
Δt.delta.t
ZeitspannePeriod of time
U0 U 0
untere Spannungsschwellelower voltage threshold
–ΔU-ΔU
negativer Spannungsabfallnegative voltage drop
Ukl,min, Ukl,max U kl, min , U kl, max
minimale, maximale Klemmenspannungminimum, maximum terminal voltage
Ukl,mess, Ukl,norm U kl, mess , U kl, norm
gemessene, normierte Klemmenspannungmeasured, standardized terminal voltage
VV
Verbraucherconsumer

Claims (16)

Verfahren zur Lade/Entladeregelung für Stromversorgungseinrichtungen mit entnehmbaren Nickel-Cadmium und Nickel-Metallhydrid Akkus mit wahlweise konstanter oder unkonstanter Stromversorgung, gekennzeichnet durch I. einen Betriebsmodus 1, in dem bei vorhandener konstanter Stromversorgung mittels –ΔU-Ladeverfahren ein zuvor definiert bis zur unteren Ladungsschwelle Q0 entladener Akku mit der Ladungsmenge Qmax bis zu einer oberen Ladungsschwelle Q1 geladen und der aus Q1 – Q0 ermittelte, der Maximalkapazität des Akkus entsprechende Wert Qmax gespeichert wird, II. einen Betriebsmodus 2, der nach Beendigung des ersten Betriebsmodus gestartet wird und eine Lade- und Entladebilanzierung unter Zugrundelegung der ermittelten Akkukapazität Qmax vornimmt, wobei die Stromversorgung konstant oder unkonstant sein kann und der Wert Qmax bei Herausnahme des Akkus gelöscht wird, III. einen Betriebsmodus 3, der bei Einlegen eines Akkus mit undefiniertem Ladungszustand Q > Q0 gestartet wird, wobei der Ladestrom mit der Klemmenspannung Ukl des Akkus abnimmt und die Stromversorgung konstant oder unkonstant sein kann.Method for charging / discharging control for power supply equipment with removable nickel cadmium and nickel metal hydride batteries with either constant or non-constant power supply, characterized by I. an operating mode 1, loaded in the existing at constant power supply by means of -ΔU charging a previously defined to the lower charge threshold Q 0 discharged battery with the amount of charge Q max up to an upper charge threshold Q 1 and from Q 1 - Q 0 determined , the maximum capacity of the battery corresponding value Q max is stored, II an operation mode 2, which is started after completion of the first operation mode and a charging and Entladebilanzierung performs on the basis of the determined battery capacity Q max, the power supply may be constant or inconstant. and the value Q max is deleted when the battery is removed, III. an operating mode 3, which is started when inserting a battery with undefined charge state Q> Q 0 , wherein the charging current decreases with the terminal voltage U kl of the battery and the power supply may be constant or inconsistent. Ladeverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Ladefaktors L in den Betriebsmodi 1 und 2 gemäß Q = IL·t/L, der von den äußeren Parametern Q/Qmax (Ladezustand), IL (Ladestrom) und Tak (Akkutemperatur) abhängt und wahlweise auch als konstanter Mittelwert eingesetzt werden kann.Charging method according to Claim 1, characterized by the use of a charging factor L in the operating modes 1 and 2 according to Q = I L * t / L, which is dependent on the external parameters Q / Q max (charging state), I L (charging current) and T ak ( Battery temperature) and can optionally be used as a constant average. Ladeverfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch das Zurücksetzen des Ladungszählers auf seinen Minimalwert nach Entladung des Akkus bis zu einer definierten unteren Ladungsschwelle Q0.Charging method according to claim 1 or 2, characterized by the resetting of the charge counter to its minimum value after discharge of the battery up to a defined lower charge threshold Q 0 . Ladeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch den Übergang der Betriebsmodi 1 und 2 nach Erreichen des maximalen Ladungszustands in einen Erhaltungslademodus mit einem typischen auf die ermittelte Akkukapazität angepassten mittleren Erhaltungsladestrom Itr.Loading method according to one of claims 1 to 3, characterized by the transition of the operating modes 1 and 2 after reaching the maximum state of charge in a trickle charge mode with a typical adapted to the determined battery capacity mean trickle charge current I tr . Ladeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Bilanzierung des Ladestroms im Betriebsmodus 3 und den Übergang in einen Erhaltungslademodus mit einem typischen, auf die ermittelte Akkukapazität angepassten mittleren Erhaltungsladestrom Itr nach Erreichen eines voreingestellten maximalen Ladungswertes Qlim, der zumindest dem Wert der maximal zu erwartenden Akkukapazität entspricht.Charging method according to one of claims 1 to 4, characterized by balancing the charging current in the operating mode 3 and the transition to a trickle charge mode with a typical, adapted to the determined battery capacity average trickle charge current I tr after reaching a preset maximum charge value Q lim , at least the value corresponds to the maximum expected battery capacity. Ladeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Abnahme des Ladestroms IL im Betriebsmodus 3 von einem Maximalwert IL,max ab Erreichen einer ersten Klemmenspannungsschwelle Ukl1 bis zu einem Minimalwert IL,min bei Erreichen einer zweiten Klemmenspannungsschwelle Ukl2.Charging method according to one of claims 1 to 5, characterized by a decrease of the charging current I L in the operating mode 3 of a maximum value I L, max from reaching a first terminal voltage threshold U kl1 to a minimum value I L, min upon reaching a second terminal voltage threshold U kl2 . Ladeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Normierung der gemessenen Klemmenspannung Ukl,mess auf einen weitgehend von den Parametern Ladestrom IL und Temperatur T unabhängigen Wert gemäß Ukl,norm = Ukl,mess – Ri(T)·IL, wobei der Wert Ri die Summe des Akku-Innenwiderstands und aller äußeren Widerstände im Ladestromkreis darstellt.Charging method according to one of claims 1 to 6, characterized by a normalization of the measured terminal voltage U kl, mess to a largely independent of the parameters charging current I L and temperature T value according to U kl, norm = U kl, mess - R i (T) · I L , where the value R i represents the sum of the battery internal resistance and all external resistors in the charging circuit. Ladeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung einer im stromlosen Zustand gemessenen offenen Klemmenspannung Ukl,oc anstelle der Messgrößen Ukl,mess oder Ukl,norm für zumindest einen der Betriebsmodi 1 oder 3.Charging method according to one of Claims 1 to 7, characterized by the use of an open terminal voltage U kl, oc measured in the de-energized state instead of the measured variables U kl, mess or U kl, norm for at least one of the operating modes 1 or 3. Ladeverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Begrenzung der Ladespannung in allen Betriebsmodi auf einen Wert Ukl,max, der einem für aufladbare Alkali-Mangan Batterien (RAM) empfohlenen Wert entspricht.Charging method according to one of Claims 1 to 8, characterized by a limitation of the charging voltage in all operating modes to a value U kl, max which corresponds to a value recommended for rechargeable alkaline manganese batteries (RAM). Stromversorgungseinrichtung für Nickel-Cadmium und Nickel-Metallhydrid Akkus mit wahlweise konstanter oder unkonstanter Stromversorgung, gekennzeichnet durch – eine Steuerelektronik (5) insbesondere mit einem der in Anspruch (1) bis (9) beschriebenen Ladeverfahren, – ein Akkufach (7) für entnehmbare Akkus (4), – zumindest einen Eingang (3) für konstante oder unkonstante Stromquellen, – einen Anschluss für externe Verbraucher (6).Power supply device for nickel-cadmium and nickel-metal hydride batteries with either constant or non-constant power supply, characterized by - control electronics ( 5 ) in particular with one of the charging methods described in claims (1) to (9), - a battery compartment ( 7 ) for removable batteries ( 4 ), - at least one input ( 3 ) for constant or non-constant power sources, - a connection for external consumers ( 6 ). Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine vom Benutzer aktivierbare Entladeeinrichtung der eingelegten Akkus (4).Power supply device according to claim 10, characterized by a user-activated discharging device of the inserted batteries ( 4 ). Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Benutzer aktivierbare Entladeeinrichtung aus einem Gleichspannungswandler (9) mit konstanter Ausgangsspannung zur definierten Versorgung extern anschließbarer Verbraucher (12) besteht.Power supply device according to claim 10 or 11, characterized in that the user-activatable discharge device consists of a DC-DC converter ( 9 ) with a constant output voltage for the defined supply of externally connectable consumers ( 12 ) consists. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch eine Einstellungsmöglichkeit zumindest einer der Größen Iconst, Imax, Itr, IL,max, IL,min, Qlim in Abhängigkeit von der Gehäusegröße und/oder der Kapazität und/oder der Anzahl der eingelegten Akkus (4).Power supply device according to one of Claims 10 to 12, characterized by an adjustment possibility of at least one of the variables I const , I max , I tr , I L, max , I L, min , Q lim as a function of the housing size and / or the capacitance and / or the number of inserted batteries ( 4 ). Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch eine Selektion der Akku-Gehäusegröße mittels einer Abstufung des Akkufachs (7) dergestalt, dass jeder Akkutyp in dem für ihn passenden Teil des Akkufachs mit den dort angebrachten individuellen Kontakten (4a) liegt.Power supply device according to one of claims 10 to 13, characterized by a selection of the rechargeable battery housing size by means of a gradation of the battery compartment ( 7 ) such that each type of battery in the appropriate part of the battery compartment with the individual contacts ( 4a ) lies. Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, gekennzeichnet durch eine Detektion eines eingelegten Akkus mittels zwei am Minus- oder Pluspol jedes Akkufachs angeordneter Kontakte (4a), die durch die Kontaktfläche des eingelegten Akkus (4) miteinander verbunden werden.Power supply device according to one of Claims 10 to 14, characterized by a detection of an inserted battery by means of two contacts arranged at the negative or positive pole of each battery compartment ( 4a ), through the contact area of the inserted battery ( 4 ). Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, gekennzeichnet durch eine Ausführung als mobiles Gerät (1) mit zumindest einem starren oder aufklappbaren Solarmodul (2) und einer von der Sonne abgewandten Steuereinheit (5) mit Akkufach (7).Power supply device according to one of Claims 10 to 15, characterized by a design as a mobile device ( 1 ) with at least one rigid or hinged solar module ( 2 ) and a remote from the sun control unit ( 5 ) with battery compartment ( 7 ).
DE102005036157A 2005-07-27 2005-07-27 Method for charge control of nickel-cadmium and nickel-metal hydride batteries and universal power supply device with various power sources Withdrawn DE102005036157A1 (en)

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