DE2814025B2

DE2814025B2 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Schneiladung von Batterien

Info

Publication number: DE2814025B2
Application number: DE2814025A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Jeske; Hans Schumacher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-03-31
Filing date: 1978-03-31
Publication date: 1980-10-16
Also published as: DE2814025A1

Description

Die Erfindung betiifft ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Schnelladen von Batterien, ω die aus elektrochemischen Sekundärelementen aufgebaut sind, deren Spannungscharakteristik bei steigender Temperatur eine fallende Tendenz zeigt, wobei die Abschaltung des Schnelladestroms in Abhängigkeit von der Erwärmung der Elemente erfolgt. <>5

Eine derartige Schnelladung ist beispielsweise bei den Batterien elektromotorisch angetriebener Schiffs-, Auto- und Flugmodelle sowie für Notstromversorgungsanlagen erwünscht, wobei die Schnelladung entweder aus dem Wechselstromnetz oder, insbesondere bei elektromotorisch betriebenen Modellen, unter Zuhilfenahme einer mobilen Batterie, beispielsweise der Kraftfahrzeug-Batterie, erfolgt Die Höhe des Ladestroms beträgt bei einer Schnelladung ein Vielfaches des normalen Ladestroms, jedoch sind einer beliebigen Verkürzung der Ladezeiten nicht nur durch die dann erforderliche hohe Stromstärke Grenzen gesetzt, sondern auch durch den Umstand, daß bei einer Ladung mit sehr hoher Stromstärke die Batterie nicht bis zu ihrer vollen Kapazität aufgeladen werden kann, weil bereits vor Erreichen einer Volladung eine Temperaturerhöhung zu bemerken ist, die zur Vermeidung von Schädigungen der Batterie eine sofortige Abschaltung erfordert Als optimale Schnelladezeit hat sich unter diesen Umständen eine Ladedauer von einer halben Stunde als zweckmäßig erwiesen. Aber auch eine derartige Schnelladung hat im Endbereich der Aufladung eine relativ rasch ansteigende Temperaturerhöhung der Elemente zur Folge, was zur Beschädigung und sogar zur Zerstörung der Batterien führen kann. Es ist daher bei der Schnelladung unerläßlich, den Ladevorgang zu beenden, bevor eine solche schädliche Erwärmung einsetzen kann. Andererseits möchte man die Kapazität der Batterie voll ausnutzen, und nicht unnötig früh den Ladevorgang beenden.

Bei Sühnelladungen mit konstantem Strom ist es üblich, den Strom in Abhängigkeit von der Änderung der Batteriespannung bzw. der Elementenspannung abzuschalten bzw. umzuschalten. Gemäß einem in der DE-AS 2012 614 beschriebenen Verfahren wird zu Steuerungszwecken die Änderung der Klemmspannung dV gemessen und einem Vergleichsgerät zugeführt. Dabei wird die Batteriespannung in gewissen Zeitabständen gemessen und während der Messung bzw. eine gewisse Zeit vorher wird der Ladestrom abgeschaltet, so daß Fehler, die durch den Ladestrom bzw. die Ladespannung bedingt sind, eliminiert werden.

Nicht vermieden werden können jedoch hierdurch jene Fehler, die durch die Temperatur und den Innendruck der Zellen bedingt sind, und insbesondere können hierdurch nicht die unvermeidbaren Fertigungstoleranzen berücksichtigt werden, die zu einer Abweichung der Nennspannung von Zelle zu Zelle in einer Größenordnung von 50 bis 60 mV liegen können, d. h. in einem Bereich, der in der Größenordnung der Abschaltgenauigkeit liegt.

Die Abschaltung erfolgt im bekannten Fall in Abhängigkeit von einem Vergleich, der in einem Komparator durchgeführt wird. Diesem Komparator wird einerseits ein Bezugssignal zugeführt, und andererseits das Ist-Signal. Sobald das Ist-Signal dem Soll-Signal entspricht, erfolgt die Abschaltung. Hierbei wird also die Differenz zwischen Sollwert und Istwert gemessen und die Bezugsspannung ist der auslösende Faktor, und diese Bezugsspannung muß demgemäß entsprechend der Zahl der Zellen eingestellt werden, ,wobei sich die Spannungstoleranzen der einzelnen Zellen kumulativ zu einem Fehler addieren können, der durch die Bezugsspannung nicht berücksichtigt wird.

Es ist weiter durch die DE-OS 23 54 178 ein Batterie-Ladesystem bekannt, das mit einem Spannungssensor, einem Temperatursensor und einem Spannungsdiskriminator zur Aktivierung des Schalters zur Unterbrechung des hohen Ladestroms versehen ist. Hierbei erfolgt sowohl in Abhängigkeit von der Batteriespannung (unter Ladestrom) als auch in

Abhängigkeit von der Temperatur eine Umschaltung von Schneiladung auf Langsamladung. Auch hier ist die Spannungsabschaltung abhängig von dem Absolutwert der Spannung selbst Der Nachteil der Temperaturmessung, die hierbei zusätzlich noch vorgenommen wird, besteht darin, daß die Batterien speziell angepaßt werden müssen, um die Temperatursensoren aufnehmen zu können. Bei größeren Zellen wurden zu diesem Zweck Kammern vorgesehen, die eine Messung der Temperatur in der Zelle ermöglichen. Diese unmittelbare Messung ist erwünscht, weil eine Oberflächenmessung wegen der relativ hohen Trägheit ungenau ist und bei mehrzelligen Batterien alle Zellen mit einem Temperaturfühler versehen werden müßten. Dies erfordert einen hohen apparativen Aufwand und entsprechend teure Ladegeräte. Außerdem besteht die Gefahr, daß die Temperaturfühler nicht ordnungsgemäß angebracht werden, und die Zuleitungen an den Zellen infolge hoher mechanischer Beanspruchungen, insbesondere bei Flug- und Automodellen, Schaden leiden können, so daß die automatische Abschaltung in Frage gestellt ist

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Schnelladen zu schaffen, die bei optimaler Ausnutzung der Batteriekapazität auf einfache Weise betriebssicher eine Abschaltung gewährleistet, bevor gefährliche Temperaturen in den Elementen erreicht sind.

Gelöst wird die gestellte Aufgabe verfahrensmäßig durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs T angegebenen Merkmale.

Dadurch, daß erfindungsgemäß die Abschaltung nicht in Abhängigkeit von dem Absolutwert der Ladespannung bzw. der Batteriespannung erfolgt, sondern in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung der Spannung, wird einmal erreicht, daß der Einfluß der Umgebungstemperatur ausgeschaltet wird, weil die Tendenz der Ladekurve bei jeder Temperatur gleich ist und sich die einzelnen einander ähnlichen Kurven nur in der Höhe der jeweiligen Spannungswerte unterscheiden. Andererseits ist es auch in weiten Grenzen gleichgültig, wie viele Elemente in Reihenschaltung hintereinanderliegend geladen werden, weil nicht die Spannungshöhe, sondern die zeitliche Änderung der Spannung, d. h. die erste Ableitung der Spannung nach der Zeit zur Abschaltung herangezogen wird. Diese zeitliche Ableitung läßt sich auf einfache Weise durch ein Differenzialglied feststellen, wofür schaltungstechnisch die verschiedensten Möglichkeiten bestehen.

Wesentlich für die Erfindung ist demgemäß, daß die Abschaltung in Abhängigkeit von der zeitlichen Änderung der Spannung erfolgt, d. h. in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit der Spannungsänderung. Je nach den zur Anwendung kommenden Batterien kann auf diese Weise die Abschaltung kurz vor Erreichen des Spannungsmaximums oder auch nach Überschreiten des Spannungsmaximums in der Nähe des Nullpunktsdurchganges der ersten Ableitung der Spannung nach der Zeit erfolgen.

Der Punkt maximaler Spannung, d. h. der Nulldurchgang der ersten Ableitung der Spannung nach der Zeit läßt sich auch bei relativ flach verlaufendem Spannungsmaximum leicht identifizieren, und es wird auf jeden Fall erreicht, daß sofort durch den temperaturbedingten Abfall der Spannung, d. h. vor schädlicher Erwärmung der Elemente eine Abschaltung des Schnelladestroms erfolgt. Insofern erfolgt die Abschaltung in direkter Abhängigkeit von der Erwärmung der Zellen.

Die Erfindung schafft daher eine im Hinblick auf die Batterieschonung günstigste Abschaltmethode in Abhängigkeit von der Temperatur der Elemente dadurch, daß die Temperatur indirekt über den negativen Temperaturkoeffizienten der Elemente zur Abschaltung herangezogen wird. Gleichzeitig läßt sich dadurch eine Automatisierung des Schneiladevorgangs bei größtmöglicher Schonung der Batterien und höchstmöglicher Kapazität erreichen, ohne zusätzliche Messung und

ίο Kenntnis des Ladezustandes der Batterien. Außerdem ist es möglich, verschiedene Zellenzahlen, z. B. 7 bis 14 Zellen, ohne Umschaltung auf die jeweilige Batteriespannung zu laden, da nur eine Differenz zwischen Batteriespannung und Vergleichsspannung gemessen wird.

Nach vollendeter Schnelladung kann in an sich bekannter Weise gemäß Anspruch 2 auf Nachladung umgeschaltet werden, um die Batterie vollständig aufzuladen, falls dies bei dem betreffenden Batterietyp notwendig oder zweckmäßig ist

Die Messung der Batteriespannung kann gemäß den Ansprüchen 3 oder 4 entweder kontinuierlich oder in gewissen Zeitabständen vorgenommen werden.
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung zur Durchführung des Schnclladeverfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 5 bis 7.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispie! der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der

jo Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine typische Ladekurve einer NC-Schnelladebatterie;

F i g. 2 ein Prinzipschaltbild einer möglichen Spannungsdifferenzmessung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Schnelladeverfahrens.

F i g. 1 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung bei einem Schnelladevorgang und diese Kurve hat eine ähnliche Charakteristik wie die Entladeku;-ve. Die Spannung steigt dabei mehr oder weniger steil an, bis eine Erwärmung der Zellen eintritt Dieser Zeitpunkt der Erwärmung ist in F i g. 1 mit fi gekennzeichnet. Kurz danach, im Zeitpunkt h hat die Spannungskurve ihren Maximalwert und nunmehr wird das negative Temperaturverhalten der Zelle wirksam und es ergibt sich infolge der Temperaturerhöhung eine Spannungserniedrigung mit im typischen Fall minus 4 mV/°C. Durch Kenntnis der Punkte f] bzw. f₂ läßt sich demnach der Einsatz der Erwärmung feststellen und es kann dann über eine elektronische Schaltungsanordnung in Abhängigkeit von der Spannungsänderung eine Abschaltung bzw. eine Umschaltung auf Normalladung vorgenommen werden. Diese Schaltungsanordnung kann die Zellenspannung laufend oder intermittierend messen und beispielsweise mit einem Spannungsnormal vergleichen.

Hierfür ist beispielsweise die in F i g. 2 dargestellte Schaltung geeignet. Die Batterie B, die beispielsweise aus 7 bis 14 Zellen bestehen kann, wird über einen Ladewiderstand R_v vom Ladestrom durchflossen. Parallel zu der Batterie B liegt eine Reihenschaltung von

so Widerstand R und Kondensator Csowie Tastschalter T, der alle 10 bis 30 see ein bis zwei Sekunden lang geschlossen wird zur Angleichung des Kondensators an d^;e Batteriespannung. An den Widerstand R ist ein Funktionsverstärker V angeschaltet, der das Abschaltsignal bzw. das Umschaltsignal liefert. Auf diese Weise kann die Zellenspannung laufend gemessen und mit einem Normal, d. h. mit der Spannung an dem Kondensator C verglichen werden. Wird bei der

folgenden Messung festgestellt, daß die Batteriespannung gestiegen ist, so wird weitergeladen und erst wenn die Messung keine Differenz mehr angibt, d. h. wenn die Spannungsänderung an der Batterie aufgrund der beginnenden Erwärmung Null wird bzw. rückläufig wird, unterbricht das Gerät die Schneiladung und schaltet automatisch ab oder auf Normalladung um.

Anstelle einer intermittierenden Messung kann auch eine ständige Messung des Spannungsverlaufs durchgeführt werden, wobei eine Schaltung vorgesehen wird,

die auf die Änderung der Spannung anspricht und bei Spannungsänderung (über der Batterie) ein Ausgangssignal vorbestimmter Dauer liefert. Dieses Ausgangssignal bewirkt bei seinem Verschwinden eine Abschaltung, weil dieses Verschwinden anzeigt, daß keine Spannungsänderung mehr erfolgt. Liefert die Signalquelle nämlich weitere Signale gleicher Zeitdauer in Abhängigkeit von der sich weiter ändernden Spannung, dann wird der die Abschaltung auslösende Abfall des Signals nicht festgestellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Schnelladen von Batterien, die aus elektrochemischen Sekundärelementen aufgebaut sind, deren Spannungscharakteristik bei steigender Temperatur eine fallende Tendenz zeigt, wobei die Abschaltung des Schnelladestromes in Abhängigkeit von der Erwärmung der Elemente erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Zeitdifferential der Batteriespannung bzw. der Elementenspannung gemessen wird, und daß die Abschaltung des Schnelladestromes erfolgt, sobald

der Differentialquotient -τ— einen vorbestimmten

Wert hat, der im Nullpunktsdurchgaiig oder in der Nähe des Nullpunktsdurchgangs liegt

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Beendigung der Schnelladung auf Nach- bzw. Normalladung umgeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung des Spannungsverlaufs der Batteriespannung kontinuierlich durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Zeitabständen von z. B. 10 bis 30 see die Batteriespanuung mit einer der vorhergehenden Messung entsprechenden Bezugsspannung verglichen wird, und daß die Abschaltung erfolgt wenn die Differenz einen vorbestimmten Wert unterschreitet.

5. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Differenzierglied vorgesehen ist, welches als Ausgangssignal die js Ableitung der Spannung nach der Zeit liefert und daß bei Unterschreiten eines vorbestimmten Wertes dieses Signals die Abschaltung bzw. Umschaltung erfolgt

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der aufzuladenden Batterie (B) eine Reihenschaltung von Widerstand (R), Kondensator (C) und Tastschalter (T) gelegt ist, daß über dem Widerstand (R) ein das Abschaltsignal liefernder Verstärker (V) liegt, und daß der Taster (Τ? alle 10 bis 30 see für eine Zeitdauer von 1 bis 2 see geschlossen wird.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf die Änderung der Batteriespannung ansprechende Schaltung ein Signal mit vorbestimmter Zeitdauer liefert, nach dessen Ablauf die Abschaltung erfolgt, wenn nicht vor Ablauf der Zeitdauer ein weiteres, eine Spannungsänderung anzeigendes Signal geliefert wurde. "