DE2636034A1

DE2636034A1 - Verfahren zum laden gasdichter akkumulatoren

Info

Publication number: DE2636034A1
Application number: DE19762636034
Authority: DE
Inventors: Hans-Kurt Dipl Ing Dr Koethe; Guenter Ing Grad Strasen
Original assignee: VARTA Batterie AG
Current assignee: VARTA Batterie AG
Priority date: 1976-08-11
Filing date: 1976-08-11
Publication date: 1978-02-16
Also published as: FI772390A7; US4308493A; DE2636034C2; NO147972B; CA1075767A; GB1561608A; SE7709106L; FR2361755A1; IL52577A; IL52577A0; FI66265B; FR2361755B1; JPS5321750A; FI66265C; NO772795L; NO147972C

Description

Reg.-Nr. 6FP 276-DT 6233 Kelkheim, 6. Aug. 1976

EAP-Ksr/Mar 2836034

VARTA Batterie Aktiengesellschaft 3000 Hannover 21, Am Leineufer 51

Verfahren zum Laden gasdichter Akkumulatoren

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden gasdichter Akkumulatoren bis zu einer vorgegebenen Grenzladespannung.

Zur Ladung von Akkumulatoren sind die verschiedensten Ladeverfahren bekannt, wobei das Ladeverfahren insbesondere auch der jeweiligen Bauart des Akkumulators angepaßt ist. Beispielsweise werden gasdichte Akkumulatoren mit Sinterelektroden üblicherweise entweder mit konstantem Strom geladen (I-Kennlinie) oder mit fallendem Strom (tü-Kennllnie). Der konstante Strom liegt dabei meistens im Bereich van I,„ bia 10 I„. Bei der Ladung mit abfallendem Strom fällt der Strom beispielsweise von 1,5 I₁₀ auf 0,9 I₁₀. (Unter I₁₀ ist dabei der Stro;n zu verstehen, mit dem der vollgeladene Akkumulator bei Normaltemperatür in 10 Stunden entladen wird. Bei einem Akkumulator mit der Nennkapazität 15 Ah beträgt I₁₀ daher 1,5 A).

Die Beendigung dea Ladens erfolgt ebenfalls nach den verschiedensten Verfahren anhand eines oder mehrerer Parameter, die vom Akkumulator abgeleitet werden. Beispielsweise wird Über die Akkumulatorenspannung, Ober den Anstieg der Akkumulatorenspannung oder Ober besondere Hilfselektroden im Akkumulator eine Steuerung zur Beendigung des Ladens vorgenommen oder es werden mit dem Akkumulator Kapazitätszähler verbunden oder es erfolgt eine zeitliche Begrenzung des Ladens bei manueller überwachung,

Am stärksten verbreitet ist die Steuerung des Ladens Ober die Ladsapannung. Dabei erfolgt das Laden bis zu einer Ladegrenzspannung, die so festgelegt 1st, daß eine unzulässige Gaaung des Akkumulators und

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damit Druckaufbau und überhitzung vermieden wird. Diese Ladegrenzspannung muß außerdem stets unterhalb der Spannung liegen, bei der eine lüasserstoff entwicklung im Inneren der Zelle auftritt. Diese Spannungsgrenze liegt üblicherweise bei gasdichten, alkalischen Nickel/Cadmium-Akkumulatoren in prismatischer Ausführung mit Sinterelektroden bei normaler Raumtemperatur knapp unter 1,6 U/Zelle.

Der LadeprozeB eines Akkumulators ist von der Reaktionsgeschwindigkeit der umzuwandelnden Massen in den Elektroden abhängig; die Höhe des Stromes und die Betriebstemperatur der Zellen sind hierfür von ausschlaggebender Bedeutung·

Bei Raumtemperatur um 20° C und nur geringfügig höheren Zellentemperaturen lassen sich mit Ladeströmen im Bereich von J₅ bis 3._Q bei Anwendung von Ladefaktaren 1,2 bis 1,4 gute Ladeergebnisse erzielen, d.h. die Nennkapazität wird bei der nachfolgenden Entladung von der Zelle erbracht. Die Ladezeiten liegen hierbei zwischen 7h (beim Laden mit J_g) und 14h (beim Laden mit J_1Q)(Ladefaktor 1,4).

Erhöht man bei Raumtemperatur den Ladestrom merklich über J₅ hinaus, so wird unter Umständen bereits vor dem Einladen der Nennkapazität die oben beschriebene Spannungsgrenze von 1,6 U/Zelle erreicht und das Laden muß daher vorzeitig abgebrochen werden, d.h. man erreicht nur- eins Teilladung und beim anschließenden Entladen liefert die Zelle dementsprechend weniger als die Nennkapazität·

Bei Temperaturen unterhalb 20° C steigt bei Ladeströmen in der Größenordnung J₅ bis J_1Q die Zellspannung umso schneller an, je niedriger die Temperatur ist. Die Spannungsgrenze van 1,6 U/Zelle wird dann bei -10° C beispielsweise schon erreicht, wenn nur eine Teilladung von ca. BD % erreicht ist. Umgekehrt uird beim Laden mit den gleichen Strömen bei hohen Temperaturen, beispielsweise +40° C, eine Spannung van ca. 1,45 UoIt auch bei unbegrenzt fortgesetztem Laden nicht überschritten. Aus diesen Gründen wird bei den genannten Ladeströmen bei -IG C die Ladung bei einer Ladegrenzspannung knapp unter 1,6 U/Zelle und bei +4O⁰ C-bei einer Ladsgrenzspannung von weniger als 1,45 U/Zelle abgebrochen. Die durch diese beiden Eckpunkte verlaufende Garade hat eine Neigung von »3,75 bis -3,33 mV/grd, d.h. die Abschaltspannung ernie-

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drigt sich bei steigender Temperatur.

Da bei hohen Temperaturen der Ladungsspannungsanstieg der Akkumulatoren gegen Ende des Ladens nur noch undeutlich hervortritt, ist eine erniedrigte Abschaltspannung zur sicheren Abschaltung notwendig. Dies bedeutet jedoch mit Sicherheit, daß bei hohen Temperaturen das Laden vorzeitiger beendet uiird. Dahsr ist die eingeladene Strommenge bei höherer Umgebungstemperatur immer niedriger als bei normaler Temperatur.

Hinzu kommt, daB bei Laden im höheren Temperaturbereich bei Ladeströmen von J₅ bis J_1Q der Lsdeuirkungsgrad bzuu das Ladungsaufnahmevermögen (Verhältnis von zugeführter Ladungsmenge : elektrochemisch gespeicherter Ladungsmenge) zunehmend schlechter wird, uias zu einer weiteren Temperaturerhöhung der Zelle und damit zu weiter vorgezogener Abschaltung der Ladung beiträgt«,

Generell gilt, daß verminderter Ladewirkungsgrad und damit einhergehende Temperaturerhöhung eine l/erschuiEndung an elektrischer Energie bedeuten und daß sie außerdem die Lebenserwartung der Zellen herabsetzen. Ein aptimaler Ladeuirkungsgrad, etua bei 0,9 liegend, ist daher stets erstrebenswert.

Eine Verschlechterung des Ladeuilrkungsgrades unter 0,9 tritt stets in der Endphase des Ladens auf. Sie äußert sich in dem obengenannten Anstieg der Zellentemperatur. Man nutzt diesen Temperatureffekt dementsprechend such zur Ladekontrolle aus, indem man den Zellen Temperaturfühler zuordnet, die bei bestimmten Grenztemperaturen den Ladestrom reduzieren oder abschalten. Durch die Ladestromreduktion kann die Ladung zuiar waiter fortgesetzt werden, jedoch, wie die Erfahrung gelehrt hat, nur unter Verschlechterung des Ladeuiirkungsgrades und zwar abgeschwächtem, jedoch fortgesetztem Anstieg der Zellentemperatur· Des weiteren führt eine auf diese bJeise fortgesetzte Ladung nur zu einer Teilnutzung der Zellenkapazität· Auch bekannte Verfahren, die über Temperaturfühler die Änderungsgeschbiindigkeit der Zellentemperatur messen und solange mit konstanten Schnelladestrom laden, bis diese Anderungsge-Hchuindigkeit einen vorgegebenen Grenzwert erreicht, um dann den Ladestrom durchzuschalten oder zu verringern, tragen nicht den Bedürfnissen der Zellen Rechnung und führen nur zu Teilladungen.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur beschleunigten Ladung zu entwickeln, welches bei hohem Ladewirkungsgrad zu einer vollständigen Ladung des Akkumulators führt, und zwar in einem weiten Temperaturbereich, Insbesondere in einem Temperaturbereich von beispielsweise -10° C bis +*»5^D C.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der Ladestrom mit der Zellentemperatur gleichsinnig geändert wird, wobei er mit steigender Temperatur ansteigt und mit fallender Temperatur absinkt.

Die vorgegebene Grenzladespannung bzw. Abschaltspannung ist abhängig von der Bauart des verwendeten Akkumulators. Sie liegt wie üblich in jedem Falle unterhalb der Spannung, bei der eine Wasserstoffentwicklung auftreten würde, und vorteilhafterweise im Bereich von ca. 1,55 V. Selbstverständlich ist es auch möglich, in an sich bekannter Weise die Grenzladespannung bzw. Abschaltspannung ebenfalls mit steigender Temperatur mit einem negativen Temperaturkoeffizienten zu kompensieren.

Die Ladung erfolgt gemäß der Erfindung somit derart, daß bei Normaltemperatur ein Ladestrom festgelegt wird, der zur beschleunigten Ladung des Akkumulators geeignet ist, d.h. ein Strom, der den Akkumulator in ca. 3 bis 5 Stunden lädt, z.B. mit einem Strom, der beispielsweise zwischen 3,5 und 2 I*_Q liegt. Die Abschaltung der Ladung erfolgt über die Festlegung der Ladegrenzspannung, Der Ladestrom wird erfindungsgemäß bei erhöhter Zellentemperatur erhöht und bei niedriger Zellentemperatur erniedrigt. Der Betrag, um den der Strom bei einer bestimmten Erhöhung der Zellentemperatur erhöht werden muß, ergibt sich aus dem Kennlinienfeld des Akkumulators und er wird empirisch für die Akkumulatorentype ermittelt.

Zur Ermittlung dieses liiertes werden beispielsweise die Ladespannungsverläufe U|_ in Abhängigkeit von der eingeladenen Kapazität bei verschiedenen Strömen und konstanter Temperatur aufgezeichnet. Figur 1 zeigt dementsprechend die Ladespannung U, (V) in Abhängigkeit von der eingeladenen Ladungsmenge C in Ah für einen gasdichten alkalischen Akkumulator mit Sinterplattenelektroden einer Nennkapazität von 15 Ah.

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Neben den KapazitStsuierten ist die jeueilig erreichte prozentuale Nenn kapazität (NK) aufgetragen. Geladen uiird dieser Akkumulator mit verschiedenen Strömen 11 bis i4, beispielsweise 10 A, 3 A₁ 1,5 A, 075 A₁

bei konstanter Temperatur von 1^= -10° C.

Es zeigt sich, daS bei einer Ladung bis zu einer Abschaltspannung LL von 1,55 V bei einem hohen Strom von 11 = 10 A nur ca. 50 SS der Ne nnkapazität eingeladen uerden, daß bei einem Strom von 13 = 1,5 A ca. 60 % der Nennkapazität eingeladen uerden (dieser Strom entspricht dem Gblichen Ladestrom von I₁₀) und daß bei einem darUberhinaus verringerten Strom van ik — 0,75 A 110 % der Nennkapazität eingeladen uerden können.

Figur 2 zeigt das gleiche Kennlinienfeld für eine Ladung bei einer konstanten Temperatur von *+Q C. Es zeigt sich, daß mit den üblichen Strömen auch bei sehr langdauernder Ladung die Abschaltspannung nicht erreicht uird, während bei einem erhöhten Strom von i1 = 10 A und einer Abschaltspannung wan 1,55 U ca. 120 % der Nennkapazität erreicht uerden.

üierden ähnliche Kennlinien noch für andere Temperaturen aufgezeichnet, und jeueils der Stromuert ermittelt, bei dem sich bei einer Abschaltspannung (U-) von 1,55 1//ZeIIe eine eingeladene Kapazität von ca. 110 bis 120° der Nennkapazität ergibt, so läßt sich aus diesen liierten die Abhängigkeit des Ladestromes I, (A) von der Temperatur (**) darstellen, uie sie Figur 3 zeigt. Diese Abhängigkeit des Ladestromes von der Temperatur ist dann Im Ladegerät zu berücksichtigen. FQr eine gasdichte Sinterplattenzelle mit einer Nennkapazität von 15 Ah ergibt sich ein Temperaturkoeffizient von ungefähr +0,18 A/grd.

blird ein Akkumulator nach diesem Verfahren geladen, so ergibt sich, uie in Figur h dargestellt, bei einer von 0° auf ca. <tO° ansteigenden Temperatur ein nahezu kontinuierlich mit der Temperatur ansteigender Strom i = f (t) und es uird in einer Zelt, die bei ca. 3,5 Stunden liegt, eine Kapazität von ca. 120 % der Nennkapazität erreicht. Die Ladespannung LJ. zeigt den gewünschten steilen Anstieg zu Ende des Ladens.

In Figur 5 sind die entsprechenden Kurven bei einem Temperaturverlauf

iratur von ca. 40°

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dargestellt, wobei die Temperatur van ca. 40° C auf ca. -5° C abfällt

und dann kontinuierlich wieder ansteigt· Auch hier wird in einer kurzen Ladezeit von ca. 3 Stunden eine Kapazität von etwa 120 % der Nennkapazität erreicht·

Ähnliche Kurvenverläufe und ähnliche Ladungsmengen ergeben sich auch bei zuerst steigender und dann wieder fallender Temperatur oder auch bei ständig fallender Temperatur des Akkumulators beim Laden. Es ist somit möglich, trotz starker Änderung der Umgebungstemperatur bzw. der Zellentemperatur in kurzer Zeit eine beschleunigte Ladung vorzunehmen und dabei den Akkumulator in einen guten Ladungszustand zu bringen. Es hat Bich damit überraschenderweise gezeigt, daß eine verbesserte Ladung des Akkumulatora bei erhöhter Temperatur durch eine Erhöhung des Ladestromes und bei niedriger Temperatur durch eine Verringerung des Ladestromes erzielt werden kann. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird erreicht, daß die Ladung des Akkumulators bis zu einer festen oder nur sehr wenig mit steigender Temperatur sinkenden Abschaltspennung fortgesetzt werden kann. Außerdem wird eine optimale Ausnutzung der Zellenkapazität im gesamten Temperaturbereich möglich. Ein überschreiten der oberen Ladespannungsgrenze vor vollständiger Aufladung des Akkumulators wird vermieden. Dies führt zu einer vollen Ausnutzung der Zellenkspazität über den gesamten Temperaturbereich. Gegen Ende des Ladevorganges tritt stets ein signifikanter Spannungsanstieg auf und es steht somit ein eindeutiges Signal für die Beendigung der Ladung zur Verfügung. Es ist möglich, mit einer festen Ladegrenzspannung zu arbeiten und dadurch wird ein vorzeitiges Abschalten der Ladung bei älteren Zellen infolge zu niedriger Ladegrenzspannung vermieden. Die Ladung erfolgt beim erfindungagemäßen Verfahren bis zum Erreichen der Abschaltspannung mit einem Wirkungsgrad, der über 90 % liegt, so daß keine unnötige Erwärmung der Zellen auftritt und ein schonender Batteriebetrieb erreicht wird. Es kann darauf verzichtet werden, mit Ladefaktaren über 1,1 zu arbeiten. Dadurch wird ebenfalls die lilärmeproduktion in den Zellen vermindert und Energie eingespart.

Es ist beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht unbedingt erforderlich, mit einem kontinuierlichen Ladastrom zu arbeiten, aondern der Ladestrom kann dem Akkumulator auch in Form von Ladeatrompulsen zugeführt werden.

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Im folgenden ist schematisch anhand der Figur 6 das Blockschaltbild eines Ladegerätes zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ladeverfahrsns erläutert.

Dabei liegen im Stromkreis der Batterie 1 sin Stromsteiler 2 und sine Stromistuerterfassung 3 sowie ein Schalter k_B der durch die Abschalteinrichtung 5 betätigbar 1st. Der Istwert des Stromes uiird Qber die Regeleinrichtung 6 mit einsr Sollwertvorgabe 7 verglichen. Diese Sollwertvorgabe erfolgt über den Temperaturfühler 8. Die Abschaltung erfolgt über die Spannungaistwerterfassung 9 und die Abschalteinrichtung k, 5, wobei jedoGh gegebenenfalls der Spannungssolluert durch eine Spannungsaolluiertvorgabe 1D_S die durch den Temperatursensor 8 gesteuert uird, in an sich bekannter bJeise beeinflußt werden kann.

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Claims

Patentansprüche

1. j l/erfahren zum Laden gasdichter Akkumulatoren bis zu einer vorgegebenen Ladegrenzspannung, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestrom mit der Zellentemperatur gleichsinnig geändert uiird, faiobei er mit steigender Temperatur ansteigt und mit fallender Temperatur absinkt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB die Ladsgrenzspannung temperaturunabhängig ist.

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