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