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Verfahren zur automatischen Mehrstufenladung von Akkumulatoren-Batterien
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Mehrstufenladung von Akkumulatoren-Batterien,
bei dem der Ladestrom mehr als einmal jeweils bei Erreichen der Gasungsspannung
durch eine spannungsabhängige Schaltanordnung, welche auf einen Schrittschalter
wirkt, vermindert wird.
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Die Mehrstufenladung von Akkumulatoren-Batterien ist in verschiedenen
Ausführungsformen bekannt. Diese verfolgen sämtlich den Zweck, in möglichst kurzer
Zeit eine vollständige Aufladung der Batterie zu erreichen.
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Am nächsten kommt man diesem Ziel bei Ladung nach der sogenannten
IUI-Kennlinie, wobei man zunächst mit verhältnismäßig hohem, konstantem Strom lädt,
bis die Gasungsspannung erreicht wird. Von da ab hält man die Spannung konstant,
wodurch der Strom kontinuierlich abnimmt. Nach Erreichen eines unteren, zulässigen
Grenzstromes wird in der dritten Stufe dieser Strom bis zum Volladen konstant gehalten
und muß dann abgeschaltet werden. Bei dieser Methode wird die Batterie zu jeder
Zeit mit dem maximal zulässigen Strom und damit in der kürzesten Zeit aufgeladen.
Die Einstellung der Ladeeinrichtung muß hierbei jedoch der angeschlossenen Batterie
angepaßt werden, indem der Strom der dritten Stufe auf den für die betreffende Batterieart
und -größe maximal zulässigen Wert eingestellt wird. Die Durchführung der Ladung
erfordert außerdem eine komplizierte und kostspielige Regelautomatik. Dazu kann
an die betreffende Ladeeinrichtung jeweils nur eine einzige Batterie angeschlossen
werden.
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Diese Nachteile werden zu einem Teil bei der Ladung nach IU-Kennlinie
vermieden. Bei diesem Verfahren entfällt die letzte Ladestufe, und der Strom klingt
auf einen am Schluß sehr niedrigen Wert ab, welcher kein besonderes Abschalten erfordert.
In derartigen Einrichtungen können Batterien beliebiger Größe und Zellenzahl sogar
gleichzeitig angeschlossen werden, jedoch ist auch bei diesem Verfahren eine komplizierte
Regelautomatik erforderlich, und der am Schluß sehr niedrige Ladestrom erfordert
verhältnismäßig lange Ladezeiten, wenn die Batterien vollständig aufgeladen werden
sollen.
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Daneben sind die verschiedensten Anordnungen zur Durchführung der
automatischen Mehrstufenladung von Akkumulatoren-Batterien bekanntgeworden, bei
denen der Ladestrom jeweils bei Erreichen der Gasungsspannung stufenweise verringert
wird. Zu diesem Zweck werden den Akkumulatoren-Batterien spannungsempfindliche Schaltanordnungen
parallel geschaltet, die bei Erreichen der Gasungsspannung Relais betätigen, die
den Ladestrom stufenweise vermindern. Als Relais werden beispielsweise Stoßstromrelais
mit Schrittschaltern verwendet, die den Ladestrom bei Erreichen der Gasungsspannung
verringern. Dieser Ladung können sich durch Zeitschaltwerke begrenzte Nachladeperioden
anschließen, oder die Gesamtladezeit wird durch Schaltuhrwerke zeitlich begrenzt.
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Diese bekannten Mehrstufenlademethoden besitzen jedoch verschiedene
Nachteile. Insbesondere wird nicht in allen Fällen eine gründliche Aufladung der
Akkumulatoren-Batterien erreicht, und die Ladung erfolgt nicht in einer optimal
kurzen Zeitdauer.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, unter Vermeidung der obengenannten
Nachteile ein Ladeverfahren zu schaffen, bei dem die Kosten für die Ladeeinrichtung
in vertretbaren Grenzen bleiben. Bei dem Ladeverlauf, der im Idealfall der IU-Kennlinie
nahekommen sollte, sollte jedoch ein Volladen in kürzerer Ladezeit erzielt werden.
Außerdem sollte das Gerät so sicher arbeiten, daß es unabhängig von der Batteriegröße
und dem Ladezustand der Batterie angewendet werden kann.
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Diese Aufgabe wird beim erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst,
daß eine oder mehrere Schaltstellungen des Schrittschaltwerkes, das den Ladestrom
stufenweise vermindert, mehrmals durchlaufen werden.
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Beispielsweise sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Schaltuhr
vor, welche den stromregelnden Schrittschalter automatisch auf die erste Schaltstufe
zurücklegt sowie er aus den obigen Gründen länger als eine vorgegebene Zeitspanne
in einer Schaltstellung verharrt. Hierauf beginnt das oben beschriebene stufenweise
Herabschalten von neuem, und zwar so oft, bis die letzte Stufe erreicht ist. Ein
Schaltuhrwerk beendet schließlich nach einer Nachperiode von festgelegter Dauer
den Ladevorgang.
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Werden die Stufenschritte fein genug gewählt, so kann hiermit eine
Ladung erreicht werden, welche
einer IU-Ladung praktisch gleichkommt.
Der Vorteil gegenüber der IU-Ladung besteht jedoch darin, daß die Stromstärke der
letzten Stufe auf einer solchen Höhe gehalten werden kann, daß sich eine kürzere
Volladezeit ergibt als bei der IU-Kennlinie.
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Beispiele Die Zeichnung zeigt in F i g. 1 ein Schaltbeispiel für die
beschriebene Vorrichtung. Die Ziffern bedeuten 1 bis 6 Kontakte des
Schrittschalters, 7 Stromstoßrelais, 8 Kontaktsatz von 7 (Schrittschalter), 9 Batterie,
10 Einschalttaste, 11 Spannungsabhängige Schaltanordnung; z. B. Relais,
12 Arbeitskontakt von 11,
13 Relais, 14 Arbeitskontakt von 13,
15 1. Ruhekontakt von 13, 16 2. Ruhekontakt von 13, 17 Schaltuhrwerk, 18 Schaltglied.
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Steigt die Batteriespannung im Verlauf der Rufladung der Akkumulatorenbatterie
an die Grenze der Gasungsspannung (etwa 2,4 Volt pro Zelle beim Bleiakkumulator
und etwa 1,6 Volt pro Zelle beim Nickel-Cadmium-Akkumulator), so spricht die spannungsabhängige
Schaltanordnung 11, z. B. ein Relais, ein Kontaktmeßwerk, eine Transistorschaltung
mit Zenerdiode, eine Thyratronschaltung, an und betätigt das Relais 13. Dieses unterbricht
die Stromzuführung zum Kontaktsatz des Stromstoßrelais 7 und schaltet dadurch den
Schrittschalter 8 eine Stufe weiter, wodurch der Ladestrom verringert wird. Ebenfalls
gleichzeitig wird die spannungsabhängige Schaltanordnung 11 von der Batteriespannung
getrennt, wobei gewährleistet sein muß, daß das Relais 13 voll durchzieht. Dadurch
erreicht die spannungsabhängige Schaltanordnung wieder die Ausgangsposition; ebenfalls
das Relais 13. Das beschriebene Schaltspiel wiederholt sich nun jeweils bei Erreichen
der Gasungsspannung, wodurch der Ladestrom durch das Stromstoßrelais verringert
und schließlich in der letzten Stufe 6 abgeschaltet oder durch ein Schaltuhrwerk
über eine weitere wählbare Zeitspanne gesteuert und dann abgeschaltet wird. Verharrt
der Schrittschalter 8 länger als eine vorgegebene Zeit in einer Schaltstufe, so
arbeitet ein Schaltuhrwerk 17, das über das Schaltglied 18 auf das Schrittschaltwerk
8 einwirkt und dieses auf eine der vorhergehenden Stufen, insbesondere auf die Stufe
1, zurückstellt. Ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der Batteriespannung
U in Abhängigkeit von der Zeit t
an einem älteren vollständig entladenen
Bleiakkumulator ist in F i g. 2 dargestellt.
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Die Ziffern 1' bis 6' bezeichnen hier die Zeitpunkte, in denen der
Schrittschalter auf die der jeweiligen Ziffer entsprechende Schaltstufe (F i g.
1) umschaltet. d t1 ist die maximale Laufzeit für eine Schaltstufe, die mittels
eines Schaltuhrwerkes vorgewählt wird. d t., ist die Nachperiode.
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Die Ladestromstärke ist in Schaltstufe 1 so groß, daß die Spannung
an der vollständig entladenen älteren Batterie sofort die Gasungsspannung erreicht,
so daß der Ladestrom auf der Stufe 2 verringert wird. Alsbald erfolgt aus dem gleichen
Grund Umschaltung auf Ladestrom 3. Der Verlauf der Ladekurve normalisiert sich,
d. h., die Sulfatation geht zurück, jedoch ist die Ladezeit auf Stufe 3 zu groß.
Nach festgelegter Zeit A t1 erfolgt daher Rückstellung des Schrittschalters auf
Ausgangsstellung. Der weitere Verlauf der Aufladung entspricht etwa dem einer teilentladenen
einwandfreien Batterie. In den Schaltstufen 3 bis 5 wird die Batterie praktisch
vollständig aufgeladen, und in der letzten Schaltstufe 6 des Schrittschalters wird
der Ladestrom entweder abgeschaltet (Kurve 17 in F i g. 2) oder während einer anschließenden
Nachperiode durch ein Schaltuhrwerk gesteuert (Kurven 18 und 19),
nachdem er eventuell nochmals stark herabgesetzt wurde (Kurve 18).
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Das neue Verfahren ermöglicht eine schnelle und gründliche Aufladung
von Akkumulatoren-Batterien mit einem einfachen und wenig aufwendigen Ladegerät.
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Insbesondere bei starker Sulfatation eines Akkuinulators kann es infolge
des höheren Innenwiderstandes der Batterie geschehen, daß die ersten Schaltstufen
eines Schrittschaltwerkes bei der bekannten Mehrstufenladung sehr schnell durchlaufen
werden und die Ladung in einer niedrigen Schaltstufe erfolgt, obwohl inzwischen
die Aufnahmefähigkeit der Batterie durch Schwinden der Sulfatation wieder normal
geworden ist. Das neue Verfahren gestattet es, auch derartige sulfatierte Akkumulatoren
einwandfrei wieder aufzuladen, da der zu bestimmten Zeitpunkten erhöhten Stromaufnahmefähigkeit
des Akkumulators durch die Zurückschaltung auf eine der vorhergehenden Ladestufen
Rechnung getragen wird. Die Ladezeit wird hierdurch erheblich verkürzt. Dieser Vorteil
ist zwar insbesondere für sulfatierte Akkumulatoren von Bedeutung, spielt jedoch
auch bei der Ladung nichtsulfatierter Akkumulatoren eine wesentliche Rolle. Die
Stromaufnahmefähigkeit eines Akkumulators wird nämlich durch die verschiedensten
Vorgänge während der Ladung erhöht. So erhöht sich die Stromaufnahmefähigkeit eines
Akkumulators beim Laden durch die größere Erwärmung und damit die Erhöhung der Diffusionsgeschwindigkeit
der Säure. Dies gilt insbesondere bei hoher Anfangsstromstärke in der ersten Ladestufe,
wie sie für das schnelle Laden erforderlich ist. Auch durch die Umwandlung von Bleisulfat
in Bleidioxid bzw. Bleischwamm wird der Diffusionswiderstand verringert, da die
betreffenden Masseteilchen ein geringeres Volumen annehmen. Neben dem Diffusionswiderstand
verringert sich auch der Ohmsche Widerstand. Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens kann daher bei allen Akkumulatoren eine bedeutende Verkürzung der Ladedauer
ohne Schwierigkeiten erzielt werden.