DE3328994C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Laden von Akkumulatoren - Google Patents

Description

• 0,16. Kg fließt. Durch das Ansteigen der Batteriespannung während der Ladung verändert sich aufgrund der Gesetzmäßigkeiten im elektrischen Schaltkreis der Strom, so daß bei richtiger Dimensionierung der Lade- strom gegen Ende der Ladung ca. 0,04. Ks beträgt.
• Während der Ladung wird die Gasungsspannung von 2,4V pro Zelle (bei einem Blei-Akkumulator) überschritten. In der zweiten Ladephase wird daher ein relativ großer Anteil der Energie in Wärme und in Wasserzersetzung verbraucht Folglich kommt es zu Überladungen, die eine große Erwärmung der Batterie und einen übermäßigen Wasserverbrauch nach sich ziehen.
• Die erhöhte Gasungsrate führt oft zu weiteren Schädigungen der Batterie, wie erhöhte Abschlammung, mossing usw.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs erwähnten Aufladungen von Akkumulatoren so zu verbessern, daß sowohl eine Säureschichtung als auch eine übermäßige Gasung des Akkumulators beim Ladevorgang vermieden wird.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gelöst, daß in der zweiten Ladephase eine Aufladung mit einem ständig zwischen einem höheren und einem niedrigeren Wert umgeschalteten Strom so erfolgt, daß durch den höheren Stromwert die Gasungsspannung deutlich überschritten wird.
• Das erfindungsgemäße Verfahren vereint die Vorteile der bisherigen Ladeverfahren, ohne deren Nachteile mit in Kauf zu nehmen. Durch die deutliche Überschreitung der Gasungsspannung in der zweiten Ladephase wird eine Säureschichtung wirksam verhindert, da die Gasung eine gute Durchmischung des Elektrolyten bewirkt. Andererseits wird durch die ständige anschließende Unterschreitung der Gasungsspannung eine übermäßige Erwärmung und Wasserzersetzung vermieden.
• Selbstverständlich wird einige Zeit benötigt, damit sich die gewünschten Zustände während der zweiten Ladephase jeweils einstellen. Vorzugsweise ist daher der jeweilige Stromwert für mindestens etwa eine Minute eingeschaltet.
• Durch den niedrigeren Stromwert wird vorzugsweise die Gasungsspannung unterschritten, weil hierdurch ein hoher Wirkungsgrad der Ladung erzielt wird. Weist der Akkumulator sehr enge Zellen auf, kann es zweckmäßig sein, auch durch den niedrigeren Stromwert die Gasungsspannung, allerdings nur wenig, zu überschreiten, um eine kontinuierliche Gasung zur Vermeidung der Säureschichtung zu erzielen, ohne daß dabei eine starke Wasserzersetzung auftritt.
• In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der niedrigere Stromwert wesentlich länger, etwa viermal so lange, eingeschaltet als der höhere Stromwert. Die Einschaltdauer des niedrigeren Stromwertes liegt vorzugsweise zwischen vier und sechzehn Minuten und die des höheren Stromwertes zwischen einer und vier Minuten.
• Bei der Durchführung des IU-Ladeverfahrens ist es vorteilhaft, wenn der niedrigere Stromwert dem üblichen Stromwert der IU-Ladung entspricht und dieser niedrige Stromwert durch den höheren Stromwert impulsartig erhöht wird. Bei diesem Ladeverfahren kann durch das erfindungsgemäße Verfahren die Ladung in der ersten Ladephase mit einer Stromstärke von 0,2. Kg bis 0,25. Ks durchgeführt werden, ohne daß es zu einer Verlängerung der Ladung gegenüber der herkömmlichen Ladung mit den Anfangsströmen 0,5. Kg kommt Hierdurch werden die Risiken der Überladung einzelner Akkumulatoren in einer größeren Ladeanlage für Parallelladung wesentlich vermindert Bei der Durchführung des W-Ladeverfahrens entspricht erfindungsgemäß der erste Stromwert der üblichen Stromstärke der W-Ladung in der zweiten Ladephase. Diese übliche Stromstärke wird durch den zweiten Stromwert impulsartig vermindert Vorzugsweise wird die Stromstärke so dimensioniert, daß der erste Stromwert bei ca. 0,04 bis 0,06. Kr, der zweite Stromwert bei 0,01 bis 0,02. Ks bei Ladeende liegt.
• Selbstverständlich ist es bei der Durchführung der W-Ladung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, wie bei der W-Ladung in herkömmlicher Weise eine automatische Abschaltung vorzunehmen.
• Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird weiterhin durch eine Vorrichtung zum Laden von Akkumulatoren gelöst, mit der der Akkumulator bis zur Gasungsspannung aufgeladen wird und in einer zweiten Ladephase eine weitere Aufladung mit einer verringerten Stromstärke erfährt, wenn eine Schaltung zur impulsartigen Erhöhung oder Absenkung der Stromstärke während der zweiten Ladephase vorhanden ist. Dadurch läßt sich mit der Vorrichtung das obenerwähnte Verfahren durchführen.
• Bei einem Ladegerät für eine IU-Ladung kann vorzugsweise ein interner Regler zur impulsartigen Aufhebung der Spannungsbegrenzung in der zweiten Ladephase vorhanden sein.
• Für größere Ladeanlagen kann es vorteilhaft sein, wenn ein Hilfsgerät jeweils die impulsartige Zuführung des dem ersten Stromwert entsprechenden Stroms während der zweiten Ladephase besorgt.
• Bei einem Gerät zur W-Ladung, das einen Transformator mit einem nachgeschalteten Gleichrichter aufweist, ist erfindungsgemäß eine elektrische Umschaltrichtung zwischen verschiedenen Primärwicklungen des Transformators vorgesehen. Alternativ kann aber auch eine Thyristor-Regelschaltung auf der Primärseite des Transformators angeordnet werden.
• Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ladungsdiagrammen näher erläutert werden. Es zeigt Fig. 1 eine Ladekennlinie für eine IU-Ladung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren; Fig. 2 eine Ladekennlinie für eine W-Ladung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.
• In Fig. 1 ist der Ladestrom in Abhängigkeit von der Ladezeit für eine IU-Ladung aufgetragen. Der Ladestrom beträgt erfindungsgemäß in der ersten Ladephase L 1 25% der Kapazität K5. In der zweiten Ladephase L 2 sinkt der Strom sehr schnell ab und unterschreitet schnell einen Wert, der die Zellenspannung unter die Gasungsspannung sinken läßt Erfindungsgemäß wird nunmehr impulsartig der Stromwert angehoben, so daß die Gasungsspannung wieder für kurze Zeit überschritten wird. Danach wird der Stromwert auf den normalen Wert der IU-Ladung abgesenkt. Regelmäßig findet danach eine impulsartige Erhöhung des Stroms statt, wobei das Tastverhältnis für die erhöhten Stromimpulse 1:4 beträgt Die Einschaltdauer für die erhöhten Stromwerte liegt zwischen einer und vier Minuten, während die Einschaltdauer für den niedrigen Stromwert zwischen vier und sechzehn Minuten liegt.
• Fig 2 zeigt die Größe des Stroms in Abhängigkeit von der Ladezeit für eine W-Ladung. Diese beginnt mit einer Stromstärke von ca. 16% von Kg und fällt in der ersten Ladephase L 1 kontinuierlich ab. Bei der herkömmlichen W-Ladung verlangsamt sich der Stromabfall in der zweiten Ladephase. Der Stromverlauf für die herkömmliche W-Ladung ist in F i g. 2 in der zweiten Ladephase gestrichelt dargestellt Erfindungsgemäß wird in der zweiten Ladephase der Strom impulsartig gegenüber der herkömmlichen Stromstärke abgesenkt, so daß der in durchgezogenen Linien dargestellte Stromverlauf entsteht Wiederum gilt auch hier, daß die niedrigere Stromwert etwa viermal so lange eingeschaltet ist wie der höhere Stromwert. F i g. 2 läßt erkennen, daß der höhere Stromwert wie der niedrigere Stromwert nicht konstant sein müssen. Wesentlich ist, daß mit dem höheren Stromwert die Gasungsspannung überschritten und mit dem niedrigeren Stromwert die Gasungsspannung wieder unterschritten wird.
• Der in F i g. 2 dargestellte Stromverlauf läßt sich leicht durch eine Umschaltung der Primärwindungen des Transformators des Ladegerätes in der zweiten Ladephase erreichen.
• Es hat sich gezeigt, daß bei der erfindungsgemäßen IU-Ladung das Verhältnis zwischen eingeladener Lademenge und vorher entnommener Kapazität zwischen 1,06 und 1,08 liegt, also gegenüber dem herkömmlichen Ladefaktor von ca. 1,05 nur unwesentlich erhöht ist. Die Volladung der Batterie kann innerhalb von 10 bis 12 Stunden erfolgen. Diese Zeit ist gleich oder liegt etwas niedriger als die für die konventionelle IU-Ladung erforderliche Zeit Diese Ladezeit für das erfindungsgemäße Verfahren ist für den gegenüber dem herkömmlichen Anfangsstrom halbierten Anfangsstrom berechnet. Wird der gleiche Anfangsstrom wie herkömmlich verwendet, läßt sich eine Ladezeit von sieben bis acht Stunden erreichen.
• Bei der W-Ladung führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einer 10%gen Einsparung der Lademenge, da bei herkömmlichen W-Ladern der Ladefaktor bei ca.
• 1,18 liegt, während er erfindungsgemäß bei 1,08 liegt.
• Bei der herkömmlichen W-Ladung erwärmt sich die Batterie von 30°C auf 45°C, während bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Aufheizung von der gleichen Starttemperatur auf nur ca. 380 C erfolgt. Durch die Erfindung läßt sich hier also nicht nur eine Energieeinsparung, sondern auch eine Erhöhung der Lebensdauer der Batterie durch die verringerte Gasung und Temperaturerhöhung erzielen.

Claims (15)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zum Laden von Akkumulatoren, bei dem in einer ersten Ladephase (L 1, L 1') der Akkumulator bis zur Gasungsspannung aufgeladen wird und in einer zweiten Ladephase (L 2, L 2') eine weitere Aufladung mit einer verringerten Stromstärke erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Ladephase (L 2, L 2') eine Aufladung mit einem ständig zwischen einem höheren und einem niedrigeren Wert umgeschalteten Strom so erfolgt, daß durch den höheren Stromwert die Gasungsspannung deutlich überschritten wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die niedrigeren Stromwert die Gasungsspannung unterschritten wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch den niedrigeren Stromwert die Gasungsspannung nur wenig überschritten wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der höhere und der niedrigere Stromwert für mindestens etwa eine Minute eingeschaltet werden.
5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschaltdauer des niedrigeren Stromwertes vier bis sechzehn Minuten und die des höheren Stromwertes eine bis vier Minuten beträgt.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Durchführung einer IU-Ladung, dadurch gekennzeichnet, daß der niedrigere Stromwert dem üblichen Stromwert der IU-Ladung entspricht, der durch den höheren Stromwert impulsartig erhöht wird.
7. 7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladung in der ersten Ladephase (L 1) mit ein#er Stromstärke von 0,2. Kg bis 0,25. K5 durchgeführt wird.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der höhere Stromwert am Ende der zweiten Ladephase zwischen 0,04 und 0,06. Ks liegt.
9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Durchführung einer W-Ladung, dadurch gekennzeichnet, daß der höhere Stromwert der üblichen Stromstärke der W-Ladung in der zweiten Ladephase (L 2') entspricht und daß dieser durch den niedrigeren Stromwert impulsartig vermindert wird.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der höhere Stromwert bei ca. 0,04 bis 0,06. Ks und der niedrigere Stromwert bei 0,01 bis 0,02. Kg bei Ladeende liegt
11. 11. Vorrichtung zum Laden von Akkumulatoren nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Schaltung zur impulsartigen Erhöhung oder Absenkung der Stromstärke während der zweiten Ladephase (L 2, L 2').
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 6, gekennzeichnet durch einen internen Regler zur impulsartigen Aufhebung der Spannungsbegrenzung.
13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 11 zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch ein Hilfsgerät zur impulsartigen Zuführung des dem höheren Stromwert entsprechenden Stroms während der zweiten Ladephase(L2).
14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 11 mit einem Transformator mit nachgeschaltetem Gleichrichter zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine elektrische Umschalteinrichtung zwischen verschiedenen Primärwicklungen des Transformators.
15. 15. Vorrichtung nach Anspruch 11 mit einem Transformator mit nachgeschaltetem Gleichrichter zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Thyristorregelschaltung auf der Primärseite des Transformators.

    Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden von Akkumulatoren, bei dem in einer ersten Ladephase der Akkumulator bis zur Gasungsspannung aufgeladen wird und in einer zweiten Ladephase eine weitere Aufladung mit einer verringerten Stromstärke erfolgt. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

    Derartige Ladeverfahren sind insbesondere für Antriebsbatterien von großer Bedeutung, da diese im Betrieb auf einen unteren Grenzwert entladen werden, um dann möglichst vollständig wieder aufgeladen zu werden.

    In der Praxis werden verschiedene Ladeverfahren angewendet, von denen die IU-Ladung und die W-Ladung am bedeutsamsten sind. Bei der IU-Ladung erfolgt eine Anfangsladung mit einer Strombegrenzung, also mit einem konstanten Strom. Erreicht die aufgeladene Zelle ihre Gasungsspannung (2,4 V), wird die Aufladung mit einer konstanten Spannung weitergeführt, wobei der Strom stark abfüllt. In der zweiten Ladephase (Spannung U konstant) gelangt die Batterie nicht in die Gasungsphase. Hierdurch wird ein hoher Wirkungsgrad und eine geringe Batterieerwärmung erzielt, es tritt jedoch der Nachteil der sogenannten Säureschichtungen ein, die die Wirksamkeit des Akkumulators sowohl in der Lade- als auch in der Entladephase beeinträchtigen.

    Der in der ersten Ladephase fließende Strom wird proportional zur Kapazität des Akkumulators ausgewählt.

    Bei größeren Ladestationen ist es üblich, mehrere Akkumulatoren parallel aufzuladen, so daß der Anfangsstrom wegen der nunmehr wirksamen größeren Kapazität erhöht werden muß. Zur Erzielung einer vertretbaren Ladezeit ist es üblich, den Anfangsstrom mit einer Stromstärke von 0,5. Kg zu wählen, wobei Ks die fünfstündige Nennkapazität ist. Ist eine solche Ladestation für die Aufladung von mehreren Akkumulatoren ausgelegt, kommt es zu unzulässig hohen Anfangsströmen, wenn diese Ladestation mit nur einer oder wenigen Batterien bestückt wird, wodurch es durch den inneren Widerstand der Akkumulatoren bereits in der Anfangsphase zu einer unzulässigen Erwärmung und damit zu einer Schädigung des Akkumulators kommen kann. Ein Absenken des Anfangsstroms führt aber zu einer wesentlich verlängerten Ladezeit, so daß diese Maßnahme in der Praxis nicht in Betracht kommt.

    Das W-Ladeverfahren benötigt ein nur sehr einfaches Ladegerät, das im wesentlichen aus einem Transformator und einem Brückengleichrichter besteht. Das Gerät wird so ausgelegt, daß ein Anfangsladestrom von ca.