DD227291A1 - METHOD FOR LOADING SECONDARY ELEMENTS - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Laden von Sekundaerelementen, insbesondere Bleiakkumulatoren, mit einer Haupt- und Nachladephase, die in einem bestimmten Verhaeltnis zueinander stehen. Ziel der Erfindung ist es ein Ladeverfahren zu finden, welches sowohl dem unterschiedlichen Entladungszustand der Batterie bei der Wiederaufladung Rechnung traegt als auch ein Kriterium zur Steuerung des Ladevorganges verwendet, das unabhaengig vom Batteriealter ist. Diese Forderungen werden erfindungsgemaess geloest, indem der Rueckgang des Stromes waehrend einer Konstantspannungsphase ausgewertet wird, der Ladestrom kontinuierlich ueber der Zeit integriert, das bis zu einem vorgegebenen Stromrueckgangswert ermittelte Strom-Zeit-Integral der Hauptladephase gespeichert und mit dem Strom-Zeit-Integral der Nachladephase verglichen wird. Bei einem vorgegebenen Verhaeltnis der Strom-Zeit-Integrale erfolgt die Abschaltung. Fig. 3The invention relates to a method for charging Sekundaerelementen, in particular lead-acid batteries, with a main and Nachladephase, which are in a certain relationship to each other. The aim of the invention is to find a charging method which takes into account both the different discharge state of the battery during the recharging and also uses a criterion for controlling the charging process, which is independent of the battery age. These requirements are achieved according to the invention by evaluating the current drop during a constant voltage phase, continuously integrating the charging current over time, storing the current-time integral of the main charging phase determined up to a predetermined current reduction value and the current-time integral of the recharging phase is compared. At a given ratio of the current-time integrals, the shutdown takes place. Fig. 3

Description

Verfahren zum Laden von SekundärelementenMethod for loading secondary elements Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf ein "/erfahren zum Laden von Sekundärelementen, insbesondere Bleiakkumulatoren, mit einer Haupt- und einer ifachladephase, die in einem bestimmten Verhältnis zueinander stehen.The invention relates to a / learn to load secondary elements, in particular lead-acid batteries, with a main and a ifachladephase, which are in a certain relationship to each other.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Akkumulatorenbatterien können mit verschiedenen "Ladeverfahren, z.B. Konstantstrom—, Konstantspannungs—·, Kon— stantwiderstandsladung oder Kombinationen aus diesen geladen 'werden. Bei den genannten Verfahren werden 'grundsätzlich mehrere Ladephasen unterschieden. Die Hauptladephase reicht bis zum deutlichen Einsetzen der Gasung und wird von einer Ifachladephase mit reduziertein Ladestrom abgelösAccumulator batteries can be charged with various "charging methods, eg constant-current, constant-voltage, constant-resistance charging or combinations of these." In the methods mentioned, a plurality of charging phases are fundamentally differentiated.The main charging phase extends until the onset of gassing is clearly established Ifach loading phase with reduced charging current

t.t.

In der Hauptladephase wird mit einem Ladestrom geladen, der. ein: Mehrfaches des ITonnalladestromes (5— oder 10— stilndlger^::.Entladestrom) be tragen.,kann._; In the main charging phase is charged with a charging current, the. a: multiple of the ITonnalladestromes (5- or 10- ^stilndlger: .Entladestrom). wearing be can. _;

In der Sachladephase wird der Strom auf den vom Akkumulatorenhersteller zugelassenen Wert begrenzt.. Die meisten bekannten Ladeverfahren verwenden als Kriterium für den Beginn der Hachla de phase das überschreiten der G-asungsspannung und legen für die Dauer der ITachladephase eine konstante Zeit fest, die an einem mechanischen oderIn the unloading phase, the current is limited to the value allowed by the accumulator manufacturer. Most known charging methods use as a criterion for the beginning of the Hachla de phase exceeding the G-asungsspannung and set for the duration of the ITachladephase a constant time, the on a mechanical or

do;, no no C ^do ;, no no C ^

elektronischen Zeitglied eingestellt werden kann. Das Überschreiten der Gasungsspannung wird mittels elektromechanischer oder elektronischer Überspannungsrelais erfaßt, die auf die nun wieder stärker ansteigende Spannung ansprechen«electronic timer can be adjusted. Exceeding the gassing voltage is detected by means of electromechanical or electronic overvoltage relays, which respond to the now increasing voltage again «

Diese bekannten Verfahren haben folgende Bachteile:These known methods have the following parts of the stream:

Erstens wird die Dauer der Eachladephase in der Praxis ohne !Rücksicht auf: den meist unbekannten Entladezustand des Akkumulators eingestellt, lach neuesten Erkennt-· nissen benötigen aber stark entladene Akkumulatoren eine lange Bachladezeit und wenig entladene eine entsprechend kurze. Prinzipiell ist es zwar möglich, den Sntladezu— stand durch zusätzliche' Tests und daraus die erforder- . liehe Bachladezeit zu bestimmen, wegen des hohen Aufwandes an Geräten und Qualifiziertem Personal wird bei den bekannten Ladeverfahren aber darauf verzichtet.Firstly, the duration of each charge phase is set in practice without consideration of: the most unknown discharge state of the battery, but according to the latest findings, heavily discharged batteries require a long battery charge and a correspondingly short discharge. In principle, it is possible to change the state of charge by additional tests and from this the necessary. Liehe to determine Bachladezeit, because of the high cost of equipment and qualified personnel is waived in the known charging but.

Zweitens erreichen ältere Akkumulatoren zwar die Ga-" sungsspannung, aber nicht den erforderlichen Spannungsanstieg, der zum sicheren, genauen Ansprechen der vorgenannten Überspannungsrelais führt. Dadurch beginnt die Bachladephase zu spät und die Akkumulatoren werden in schädlichem Ausmaß überladen. Begegnet man diesem Umstand durch entsprechend kurze nachladezeiten, erhalten neue stark entladene Akkumulatoren eine ungenügende, auf die Dauer ebenfalls schädliche Aufladung.Second, while older accumulators reach the discharge voltage, but do not provide the required voltage rise, which leads to the safe, accurate response of the aforementioned overvoltage relays, the bischarge phase begins too late and the accumulators become overloaded to a detrimental extent recharge times, new heavily discharged accumulators receive an insufficient, in the long run also harmful charge.

Aus der US-Patentschrift 31 02 220 ist ein Ladeverfahren bekannt, bei dem die Rekombinationswärme mit Hilfe e-ines als Thermistor arbeitenden Widerstandes zur Steuerung des\Ladevorganges dient. In einer komplizierten Rekombinationseinrichtung rekombinieren-die Ladegase, Sauerstoff und Wasserstoff, exotherm- wieder zu Wasser.From the US Patent 31 02 220, a charging method is known in which the recombination heat with the aid of e-ines as a thermistor working resistor serves to control the \ Charging process. In a complicated recombination device, the charge gases, oxygen and hydrogen, exothermically recombine to water.

Diese Ladegase treten nach fast vollständiger Umwandlung der elektrochemisch aktiven Massen unabhängig vom Alter des Akkumulators auf. Eine Steuerung des LadeVorganges. " nach der Rekombinationstemperatur liefert also für neue und alte Batterien gleich gute Ergebnisse. Vorteilhaft ist auch die Rückführung des Wassers in den Slektrolyten. Nachteilig ist die aufwendige: mehrfache. Signalumwandlung. Außerdem ergibt sich eine Hachladezeit, die keine Rücksicht .auf unterschiedlich stark entladene Akkumulatoren nimmt, ^:.These charging gases occur after almost complete conversion of the electrochemically active masses regardless of the age of the accumulator. A control of the charging process. "after the recombination temperature supplies equally good results for new and old batteries.Also advantageous is the return of the water in the electrolyte electrolyte.The disadvantage is the complex: multiple signal conversion.Also results in a Hachladezeit, the no consideration .Do differently discharged batteries takes, ^: .

Sin weiteres ladeverfahren aus der DS-^OS 33 08 515 A1 mißt die Größe des Ladestromes vom Ladebeginn an und der erhaltene Wert wird über der Zeit integriert, so daß die. Gesaratzahl der während der jeweilig verflossenen Lade— periode gelieferten Ampsre.stynde.n kontinuierlich ,bekannt ist. Weiterhin wird die Ladespannung gemessen und "aus d^m'Masiräalwert ihrer 'änderung >^τ<· _ ein. Ums ehalt-Sin further charging method from the DS-OS 33 08 515 A1 measures the size of the charge current from the start of charge and the value obtained is integrated over time, so that the. The total number of Ampsre.stynde.n delivered during the respective charging period is continuously known. Furthermore, the charging voltage is measured and "from the" maziräalwert their 'change> ^ τ <· _ ein.

[Q \ j ms u\ . [Q \ j ms u \ .

kriterium für -die ITachladephase errechnet. Die Fachladephase beginnt, wenn die Spannungsänderung ^gegenüber dem. Maximal?/ert um einen bestimmten Prozentsatz zurückgegangen ist.criterion for the ITachladephase calculated. The tray loading phase begins when the change in tension is opposite the. Maximum? / Ert decreased by a certain percentage.

Nachteilig ist bei diesem Verfahren der enorme Aufwand .. --% an Elektronik zur exakten Bestimmung, des Ums ehalt ze it-Dunktes. Außerdem ist der Maximalwert -^r bei .altenA disadvantage of this method is the enormous effort .. -% of electronics for exact determination of the Ums ehalt ze it-Dunktes. In addition, the maximum value - ^ r is at

' '.- dt - - '' .- dt - -

Batterien sehr klein (siehe Pigur 1), so daß die Bestimmung des UmsehaltZeitpunktes aufwendig und trotzdem ungenau wird. Außerdem sind zusätzliche Sehaltungsmaß— nahmen' erforderlich,, damit die·.Einrichtung:.nicht .auf den Spannungsanstieg gleich zu Beginn der Aufladung anspricht.Batteries very small (see Pigur 1), so that the determination of UmsehaltZeitpunktes consuming and still inaccurate. In addition, additional visual measures are required so that the device does not respond to the voltage increase at the beginning of charging.

Ein weiteres Verfahre», welches die Rekombinationstemperatur als Signal für den Beginn der 'ITachladephase verwendet, ist aus dem DS-AS 26 38 899 bekannt. Dieses Verfahren koppelt den Vorteil der alterungsabhängigen Ableitung des TTachladeZeitpunktes aus der Rekombinations-"temperatur mit der flexiblen Gestaltung der'Nachladezeit.Another method, which uses the recombination temperature as a signal for the beginning of the ITachladephase is known from DS-AS 26 38 899. This method combines the advantage of age-dependent derivation of the TT-charging time from the recombination temperature with the flexible design of the recharge time.

Ein mechanisches Tdzw. elektronisches Zählwerk speichert die Hauptladezeit und die Naehladezeit ergibt sich aus dem beschleunigten Rücklauf des Zählwerkes immer als ' '· proportionaler Teil der Hauptladeze it. Die Hauptladezeit bis zum Erreichen der Rekombinationstemperatur ist ein Maß für den Entladezustand der Batterie. Die ihr proportionale ETachladezeit läßt sich so dem Entlade zustand des Akkumulators vorteilhaft anpassen. Nachteilig bei diesem Verfahren ist der hohe Aufwand für die Rekombinationseinrichtung, die mehrfache Signalumwandlung, Ladegas-, Temperatur- elektrische Größe und die Bestimmung des Verhältnisses Hauptladephase zu Nachladephase durch ein Zeitverhältnis. Die Zeitmessung bedingt, daß die Verhält— nisbildung nur für einen bestimmten Strom-Zeit-Verlauf richtig ist. Das Verhältnis von Hauptlade- und Fachladezeit muß stets dem jeweiligen Ladegerät oder der jeweiligen Ladekennlinie (bei Geräten mit einstellbarer Kennlinie) angepaßt werden.A mechanical Tdzw. The electronic counter stores the main charging time and the charging time always results from the accelerated return of the counter as a proportional part of the main charge. The main charging time until reaching the recombination temperature is a measure of the discharge state of the battery. The proportionate ETachladezeit can thus be adapted to the discharge state of the accumulator advantageous. A disadvantage of this method is the high cost of the recombination device, the multiple signal conversion, charging gas, temperature electrical size and the determination of the ratio Hauptladephase to Nachladephase by a time ratio. The time measurement requires that the ratio formation is correct only for a certain current-time profile. The ratio of main charging and compartment charging time must always be adapted to the respective charger or the respective charging characteristic (for devices with adjustable characteristic).

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Laden von Sekundärelementen, welches bei Batterieladung einerseits dem unterschiedlichen Entladezustand der Batterie bei.der Wiederaufladung Rechnung trägt und andererseits ein einfaches Kriterium zur Steuerung des Ladevorganges verwendet, welches unabhängig ,vom Batteriealter ist.The aim of the present invention is a method for charging secondary elements, which on battery charge on the one hand the different discharge state of the battery bei.der recharge account and on the other hand uses a simple criterion for controlling the charging process, which is independent of battery age.

Das Verfahren.soll auf unterschiedliche Ladekennlinien anwendbar sein, so daß z.B. die Vorteile der IUI- oder WUW-Kennlinie bezüglich der Anpassung der Ladeparameter an die unterschiedlichsten Sinsatzfälle genutzt werden können.The method should be applicable to different charging characteristics such that e.g. the advantages of the IUI or WUW characteristic can be used with regard to the adaptation of the charging parameters to a wide variety of use cases.

Die Forderungen nach kürzester Ladezeit, möglichst langer Batterielebensdauer und minimalem" Energieaufwand sollen in einem Verfahren realisiert werden. -The demands for the shortest charging time, the longest possible battery life and minimum energy consumption should be realized in one process.

Darlegung des Wesens der Erfindung: _; - Principle of the _invention:; -

Der Erfindung liegen folgende Aufgaben zugrunde: The invention is based on the following objects:

Der Zeitpunkt der Fachladephase soll, ohne aufwendige Signalumwandlung aus elektrischen Parametern ermittelt werden. Diese Parameter sollen sich im Laufe der Batteriealterung nicht ändern. Dies wird erfindungsgemäß so gelöst, daß die Ladekennlinie einen Konstantspannungsabschnitt enthält und der Rückgang des Stromes in diesem Abschnitt ausgewertet wird., Pur die, Eons.tantspannung ist zweckmäßigerweise ein Wert von 2,35 7 bis 2,4 T zu wählen. Diese Spannung "stellt "sieh "auch; bei^; "gealterten Batterien ein,,wenn der Hauptteil der chemisch aktiven Masse umgewandelt ist. ..- '"The time of the compartment loading phase should be determined without elaborate signal conversion from electrical parameters. These parameters should not change during battery aging. This is inventively achieved so that the charging characteristic includes a constant voltage section and the decrease of the current is evaluated in this section., Pure, Eons.tantspannung is suitably a value of 2.35 7 to 2.4 T to choose. This voltage "represents" check "also, ^at," aged a battery ,, if the majority of the chemically active material has been converted. ..- '"

Weiterhin soll die Strommenge der Hachladephase entsprechend _; dem neueren Stand der Technik (DS-OS 26 38 899) in einenFurthermore, the amount of electricity to the Hachladephase accordingly _; The more recent state of the art (DS-OS 26 38 899) in a

festen Verhältnis zur Strommenge der Hauptladephase stehen Kj und die Strommengenermittlung für beliebige Strom-Zeit-Verläufe geeignet sein, damit das Verfahren unabhängig vom Eennlinienverlauf arbeiten kann. .fixed relation to the amount of electricity of the main charging phase Kj and the current quantity determination are suitable for any current-time curves, so that the process can work independently of the characteristic curve. ,

Dazu wird erfindungsgemäß der Ladestrom kontinuierlich über der Zeit integriert. Das Strom-Zeit-Integral der Hauptladephase wird gespeichert und das Strom-Zeit-Integral der Fachladephase wird mit diesem Wert verglichen. Bei Erreichen, .eines bestimmten Anteiles' des erstgenannten Wertes erfolgt die Abschaltung des Ladevorgange s. '".""For this purpose, according to the invention, the charging current is continuously integrated over time. The current-time integral of the main charge phase is stored and the current-time integral of the charge phase is compared with this value. Upon reaching 'a certain proportion' of the former value, the switching off of the charging process takes place. ''. ''

Ausführungsbeispielembodiment

Anhand der Figuren 1 bis 5 soll die Erfindung näher be- '· schrieben.werden.The invention will be described in more detail with reference to FIGS. 1 to 5.

Figur 1 zeigt das Zellenspannungsverüalten neuer" 1 und gealteter Zellen 2 während des LadeVorganges. Dabei ist deutlich zu erkennen, daß gealterte Zellen keinen ausgeprägten Spannungsanstieg nach Erreichen der Gasungsspannung (2,4 7/Ze lie) aufweisen.1 shows the cell voltage depletion of new cells 1 and aged cells 2 during the charging process, whereby it can be clearly seen that aged cells do not show a marked increase in voltage after reaching the gassing voltage (2.4 7 / cell).

figur .2 veranschaulicht eine IUIa-Kennlinie mit relativ ' hohem Anfangsladestrom I^, einer Konstantspannungsphase U., dem IJms ehalt Zeitpunkt in die Fachladephase S und den lachladestrom I₂*FIG. 2 illustrates an IUIa characteristic curve with relatively 'high initial charging current I ^, a constant voltage phase U, the IJms content at the charging phase S and the charging current I ₂ *

Das dazugehörige Stroia-Ze it-Diagramm ist in Figur 3 dargestellt. Der Kennlinienverlauf wird in bekannter Weise durch Regelung von Strom und Spannung erzwungen.The associated Stroia-Ze it diagram is shown in FIG. The characteristic curve is forced in a known manner by controlling current and voltage.

Anstelle von I₁, I₂ und I^^T, I » können auch beliebige' Strom-Zeit-Yerläufe mit beliebigen Werten treten.Instead of I ₁ , I _2, and I ^ ^T , I, 'arbitrary' current-time cycles can occur with arbitrary values.

Einen Ladevorgang mit relativ kleinem Anfangsladestrom I-. ^f j der Konstantspannungsphase TL ', dem Umschaltpunkt in die üfachladephase S^f und dem Fachladestrom L·¹ zeigt Figur 4. Das zugehörige'* Strom-Zeit-Diagramm ist in Figur .5 dargestellt.A charging process with a relatively small initial charging current I-. FIG. 4 shows ^f j of the constant voltage phase TL ', the switching point into the charge-rich phase S ^f and the compartment charge current L * ^1. The associated' * current-time diagram is shown in FIG.

Die Ladekennlinieη der Figuren 2 und 4 können unterschiedliche Einstellungen ein und desselben Ladegerätes oder Kennlinien von Ladegeräten unterschiedlicher Bauleistung sein. In beiden Fällen wird dieselbe Eatterie vom gleichen Entladezustand aus aufgeladen. -The charging characteristic of FIGS. 2 and 4 can be different settings of one and the same charger or characteristic curves of chargers of different construction output. In both cases, the same battery is charged from the same discharge state. -

Der Ladevorgang "beginnt mit I^ oder I^ ^! . Danach folgt ein unterschiedlich langer Eonstantspannungsabschnitt IL· bzv?. U^·, der im UmsehaltZeitpunkt S "bzw. S^f endet, gleichbe—; deutend mit dem Ende der Hauptladephase. Bis zu diesem Zeitpunkt v?ird der Strom über der.Zeit integriert und der so erhaltene Wert des Strom-Zeit-Int-egrals I? bzw. F_n' in einem elektronischen Zähler gespeichert. In den Punkten S bzTC. S' ist der Strom auf den Wert des Nachladestromes I abgeklungen, siehe Figur 3 und 5. Daraus v/'ird das Signal für den Beginn Nachladephase abgeleitet. Die Zählen impulse der Naehladephase dienen dem beschleunigten Rückwärtszählen des Speicherinhaltes der Hauptladephase biszum Wert Null. Dieses Signal beendet, den Ladevorgang.The charging process "begins with I ^ or I ^ ^! .. Then follows a different length Eonstantspannungsabschnitt IL · bzv?. U ^ ·, the UmsehaltZeitpunkt S" or S ^f ends, same-; pointing to the end of the main charging phase. Until this time, the current is integrated over time and the value of the current-time intragrid I? or F _n 'stored in an electronic counter. In the points S bzTC. S ', the current has decayed to the value of the recharging current I, see Figure 3 and 5. From this v /' ird the signal for the beginning recharge phase derived. The counting pulses of Naehladephase serve the accelerated down counting of the memory contents of the Hauptladephase to zero value. This signal stops charging.

Aus Figur 3 und 5 ist ersichtlich, daß das Verhältnis ' -From Figures 3 and 5 it can be seen that the ratio '-

-⁷I¹W* "" " " - · ^;' '· -· · - ·. · - - ⁷ I ¹ W * """" - · ^; '' · - · · - ·. · -

~ = ~L ist, unabhängig vom Ström-Zeit-Yerläuf. -Te nachdem, ob mittels I^ (ϊ^¹) eine kurze oder lange G-esamtlade ze it t„ (t_G ^f) gewählt .j?urde, ergeben sich unterschiedliche Umschaltzeitpunkte t (t ') absolut und auch im Verhältnis zur Gesamtlaäezeit. Trotzdem t7ird das beab-r~ = ~ L, regardless of the flow-time-course. Depending on whether a short or long total load time t (t _G ^f ) is chosen by means of ^ (ϊ ^ ¹ ), different switching times t (t ') result absolutely and also in relation to Gesamtlaäezeit. Still, that's what it's supposed to be

TJi-J(J t "R¹TTTJi-J (J t "R ¹ TT

sichtigte Strommengenverhältnis -~-, = —.eingehalten.observed power ratio - ~ -, = - held.

Claims (2)

Pat e ntans pru chPat e ntans pru ch 1. Verfahren zum Laden galvanischer Elemente, insbesondere Bleiakkumulatoren, mit einer Hauptladephase und einer Nachladephase, deren Dauer durch die jeweiligen Strom-Zeit-Integrale bestimmt wird, die in einem festgelegten Verhältnis zueinander stehen, gekennzeichnet dadurch, daß die Ladekennlinie einen Konstantspannungsabschnitt (U₁; U₁') enthält, daß die.Nachladephase'. dann beginnt, wenn der Strom im. Konstantspannungsabschnitt (U₁; U₁') der Ladeke.nnlinie auf den in der Nachladephase zulässigen Wert (Ip) abgeklungen ist, daß-vom Ladebeginn an kontinuierlich das Strom-Zeit-Integral der.Hauptladephase bis zu dem Zeitpunkt (t ; t ')/ gebildet wird, in dem der Strom im Konstantspannungsabschnitt (U₁; U₁ ¹) der Ladekennlinie auf den in der Nachladephase zulässigen Wert (Ip) abgeklungen ist, daß das Strom-Zeit-Integral der Hauptladephase . . gespeichert wird, und daß die Nachladephase so lange andauert, bis ihr Strom—Zeit—Integral in einem vorbe-1. A method for charging galvanic elements, in particular lead-acid batteries, having a Hauptladephase and a Nachladephase whose duration is determined by the respective current-time integrals, which are in a fixed relationship to each other, characterized in that the charging characteristic a constant voltage section (U ₁ U ₁ ') contains that the' recharge phase '. then starts when the electricity is in. Constant voltage portion (U ₁ ; U ₁ ') of the Ladeke.nnlinie to the permissible value in the Nachladephase (Ip) has decayed that-from the start of charging continuously the current-time integral der.Hauptladephase until the time (t; t' ) / is formed, in which the current in the constant voltage section (U ₁ , U ₁ ¹ ) of the charging characteristic has decayed to the permissible value in the recharging phase (Ip), that the current-time integral of the main charging phase. , is stored, and that the recharging phase continues until its current-time integral in a pre- · (Ti¹TM Ti¹TT' ")· ( Ti ¹ TM Ti ¹ TT '") stimmten Verhältnis >~^ = ~,< zu dem der Hauptladephase steht.agreed ratio> ~ ^ = ~, <stands to the main charging phase. 2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß durch einstellbare Höhe der Konstantspannung (U₁; U₁')' und einstellbare Größe des Konstantstromes (Ip) die unterschiedlichsten Zellenbauarten berücksichtigt werden.2. The method according to claim 1, characterized in that by adjustable height of the constant voltage (U ₁ , U ₁ ')' and adjustable size of the constant current (Ip) the most diverse cell types are taken into account. -Hierzu 1 Blatt Zeichnungen-- 1 sheet of drawings -