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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines an eine elektrische Ladungsquelle angeschlossenen Akkumulators mit einer Nennkapazität, wobei dem Akkumulator aus der Ladungsquelle elektrische Ladung zugeführt wird, wozu die Ladungsquelle mittels einer Steuereinheit hinsichtlich einer elektrischen Ladespannung und eines elektrischen Ladestromes gesteuert wird, wobei das Laden in mehreren aufeinanderfolgenden Ladephasen erfolgt, wobei in einer ersten Ladephase ein konstanter Ladestrom verwendet wird, bis die Ladespannung und/oder eine Ladespannungsänderung einen vorgegebenen ersten Vergleichswert erreicht, woraufhin in einer zweiten Ladephase eine konstante Ladespannung verwendet wird, bis der Ladestrom und/oder eine Ladestromänderung einen vorgegebenen zweiten Vergleichswert erreicht, wobei in einer dritten Ladephase der Akkumulator mittels Ladungsimpulsen geladen wird.
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Ladungsverfahren der gattungsgemäßen Art sind im Stand der Technik in einer Vielzahl von Anwendungen integriert. Sie dienen zur Aufladung von Akkumulatoren, beispielsweise Blei-Säure-Akkumulatoren, aber auch zur Aufladung von Metall-Lauge-Akkumulatoren wie Nickel-Cadmium-Akkumulatoren, Nickel-Metallhydrid-Akkumulatoren, Lithium-Hydrid-Akkumulatoren oder dergleichen. Ein Akkumulator kann je nach Konstitution seiner Elektroden, seines Elektrolyten oder dergleichen beispielsweise ein Gel-, Vlies- oder auch Nassakkumulator sein, wie er insbesondere in Form eines Blei-Säure-Akkumulators im Bereich der Traktion sowie auch im stationären Einsatz, beispielsweise bei Krankenfahrstühlen, Reinigungsmaschinen, Flurförderfahrzeugen, Elektroautos, Notstromanlagen und dergleichen zum Einsatz kommt.
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Zum Warten des Akkumulators werden geregelte beziehungsweise ungeregelte Verfahren eingesetzt, wobei deren Umschalt-, Einschalt- und/oder Regelparameter in der Normung niedergelegt sind, beispielsweise in den DIN-Normen DIN 41762 bis DIN 41774.
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Ein Verfahren zum Laden eines Akkumulators der gattungsgemäßen Art sieht häufig zwei Ladephasen vor, die üblicherweise unmittelbar aufeinander folgen. In einer ersten Ladephase wird ein im Wesentlichen konstanter Ladestrom verwendet, bis die Ladespannung einen vorgebbaren ersten Vergleichswert erreicht. Daraufhin wird automatisch die zweite Ladephase eingeleitet, die eine im Wesentlichen konstante Ladespannung verwendet, wobei die Ladespannung üblicherweise dem ersten Vergleichswert entspricht. Die Ladung wird in dieser zweiten Phase fortgeführt, bis der Ladestrom einen vorgebbaren zweiten Vergleichswert erreicht. Sodann wird das Verfahren zum Laden des Akkumulators automatisch beendet.
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Zur Durchführung des Verfahrens zum Laden des Akkumulators wird der Akkumulator an die elektrische Ladungsquelle angeschlossen. Hierzu wird zwischen Anschlüssen des Akkumulators, beispielsweise seinen Polen, jeweils eine elektrische Verbindung in Form einer elektrischen Leitung an die entsprechenden Anschlüsse der Ladungsquelle hergestellt. Die elektrische Ladespannung liegt somit sowohl an der Ladungsquelle als auch am Akkumulator an. Der Ladungsstrom wird durch die Ladungsquelle bereitgestellt und strömt durch eine der elektrischen Leitungen zum Akkumulator, durch den Akkumulator hindurch und über eine andere der elektrischen Leitungen wieder zur Ladungsquelle zurück. Dadurch ist der Stromkreis geschlossen. Aufgrund des Ladestroms wird dem Akkumulator eine elektrische Ladung zugeführt. Bekanntermaßen entspricht die zugeführte Ladung in der Regel etwa dem über die Zeit integrierten elektrischen Strom.
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Als Ladungsquelle kann beispielsweise ein Netzgerät dienen, welches elektrische Energie aus einem öffentlichen Energieversorgungsnetz bezieht. Die Ladungsquelle kann aber auch eine Batterie, insbesondere ein weiterer Akkumulator, ein Notstromaggregat oder dergleichen sowie auch eine Kombination hiervon sein. Die Ladungsquelle wird von. der Steuereinheit gesteuert. Hierzu ist die Steuereinheit an die Ladungsquelle angeschlossen oder in diese integriert. Die Steuereinheit wirkt auf Steuermittel der Ladungsquelle ein, mittels denen die Ladespannung und/oder den Ladestrom steuerbar ist. Die Steuereinheit kann eine elektronische Schaltung, eine Rechnereinheit oder dergleichen sowie auch eine Kombination hiervon sein. Die Steuermittel können Stell- und/oder Regelelemente insbesondere elektronischer Natur sein, beispielsweise Transistoren, Relais, Operationsverstärker und/oder dergleichen. Die Steuermittel dienen dazu, die Ladespannung und/oder den Ladestrom der Ladungsquelle zu steuern und/oder zu regeln.
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Obwohl dieses gattungsgemäße Verfahren zum Laden des Akkumulators vielfältig zum Einsatz kommt, erweist es sich jedoch als nachteilig, weil es sich hinsichtlich seiner Adaption an unterschiedliche Akkumulatoren und Variationen von Akkumulatoreigenschaften als unzureichend herausgestellt hat und Akkumulatoren teilweise nicht vollständig geladen oder auch überladen werden. Es besteht die Gefahr, dass Akkumulatoren, deren tatsächlich verfügbare Akkumulatorkapazität sich aufgrund von Alterung reduziert hat, überladen werden.
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Aufgrund verschiedener Ausführungen von Akkumulatoren, insbesondere hinsichtlich der Kapazität und Ausbildung des Elektrolyten hinsichtlich seiner Beschaffenheit, beispielsweise bei Gel-, Vlies- oder Nassakkumulatoren, sind beim Laden verschiedene Charakteristika hinsichtlich der Betriebsparameter des Verfahrens zum Laden des Akkumulators zu berücksichtigen.
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Es sind Ladeverfahren bekannt, bei denen ein Temperaturanstieg des Akkumulators zusammen mit einer Spannungs- oder Strommessung als Regelgröße genutzt wird. Darüber hinaus ist es bekannt, die zu messende Ladespannung oder den zu messenden Ladestrom mit Vergleichswerten zu vergleichen und bei Erreichen vorgegebener Vergleichswerte diese zur Regelung zu benutzen. Ferner sind Ladeverfahren bekannt, bei denen die Ladung der Akkumulatoren durch zyklisches Ein- und Ausschalten nach vorgebbaren Werten erfolgt, wobei der Vorladezustand der Akkumulatoren anhand der sich verändernden Ladewerte erkannt werden soll. Ein solches Verfahren beschreibt beispielsweise die
US 5,589,755 , wobei die Spannung nach Abschaltung des Ladestroms immer wieder mit einer vorgegebenen Ruhespannung verglichen wird.
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Die vorgenannten Verfahren zum Laden eines Akkumulators erfordern eine Anpassung entsprechend des zu ladenden Akkumulators und seiner Kapazität, insbesondere dass Ladenennwerte und Typ des Akkumulators bei festgesetzten oder flüssigen Elektrolyten, wie sie in Gel-, Vlies- und Nassakkumulatoren verwendet werden, Berücksichtigung finden. Da der eigentliche Ladevorgang von der Temperatur, dem Alterungszustand und dergleichen des Akkumulators abhängig ist, ist die Anpassung des Verfahrens zum Laden des Akkumulators bei den vorgenannten Verfahren überaus aufwändig und in der Regel unzureichend, mit der Folge, dass eine Vollladung der Akkumulatoren nicht gewährleistet ist oder die Akkumulatoren durch Überladung beschädigt werden.
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Eine diesbezügliche Verbesserung offenbart die
EP 0 994 549 B1 , die ein Verfahren zum Laden eines Akkumulators der gattungsgemäßen Art offenbart, welches sich durch eine dritte Ladephase auszeichnet, die sich an die vorgenannte zweite Ladephase anschließt. Danach ist vorgesehen, dass bei konstanter Ladespannung die Änderung des Ladestroms über der Zeit ermittelt und bei Erreichen eines vorgebbaren Änderungswertes der Ladestrom der zu diesem Zeitpunkt fließende Ladestrom konstant gehalten wird und in der dritten Phase bei diesem Strom dann die Änderung der Ladespannung über der Zeit ermittelt und bei Erreichen eines vorgebbaren Änderungswertes der Ladespannung über der Zeit der Ladevorgang beendet wird. Dieses Verfahren ermöglicht es zwar, eine verbesserte dynamische Anpassung des Verfahrens zum Laden des Akkumulators zu erreichen, jedoch sind gegenüber der Impulsladung ein höherer Energie- und Wasserverbrauch sowie eine längere Ladedauer in Kauf zu nehmen.
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Aus der
DE 697 36 730 T2 ist ein Verfahren zur Steuerung eines Ladevorgangs für einen Akkumulator bekannt. Dieser Ladevorgang ist in mehrere Ladephasen unterteilt. Die
DE 697 36 730 T2 schlägt vor, für den gesamten Ladevorgang, d. h. in sämtlichen Ladephasen einen Pulsbetrieb vorzusehen. Nach Abschluss einer zweiten Ladephase ist der Ladevorgang gemäß der
DE 697 36 730 T2 beendet und es wird eine zeitlich unbegrenzte Aufrechterhaltungsladung angewendet.
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Die
US 5,617,007 A offenbart ein Ladeverfahren mit drei Ladephasen. Während einer ersten Ladephase wird der Akkumulator mit einem vorgegebenen konstanten Ladestrom beaufschlagt. Die Akkumulatorspannung wird überwacht und bei Erreichen einer Grenzspannung wird eine zweite Ladephase eingeleitet. In der zweiten Ladephase wird eine gepulste Ladespannung angewendet. Mit dem Ende der zweiten Ladephase ist auch der Ladevorgang beendet. An die zweite Ladephase schließt sich die unendliche dritte Phase mit Strompulsen an, die eine vorgegebene minimale Amplitude aufweisen, um den mit Abschluss der zweiten Ladephase erreichten Ladezustand zu erhalten.
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Es ist ausgehend von diesem Stand der Technik die Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren dahingehend weiterzubilden, dass insbesondere bei geringem Energieverbrauch eine verbesserte Anpassung der Ladung des Akkumulators an das Akkumulatorverhalten erreicht werden kann.
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Als Lösung wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die Anzahl der Ladungsimpulse in Abhängigkeit der während der ersten und der zweiten Ladephasen dem Akkumulator zugeführten Ladung und der Nennkapazität des Akkumulators gewählt wird, wobei zur Bestimmung der Anzahl der Ladungsimpulse ein Verhältnis der während der ersten beiden Ladephasen dem Akkumulator zugeführten Ladung zur Nennkapazität des Akkumulators dient, wobei die Pulsform und Pulsdauer der Ladungsimpulse in Abhängigkeit der während der ersten und der zweiten Ladephasen dem Akkumulator zugeführten Ladung und der Nennkapazität gewählt wird, und wobei die Pulsdauer an die Amplitude des Ladungsimpulses angepasst wird, so dass eine vorgegebene Menge elektrischer Ladung im jeweiligen Ladungsimpuls enthalten ist.
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Durch die dritte Ladephase gemäß der Erfindung lässt sich eine verbesserte Ladung des Akkumulators angepasst an das Akkumulatorverhalten, insbesondere bezüglich der tatsächlich vorhandenen Kapazität, der Temperatur, dem Sulfatierungsgrad und/oder dergleichen erreichen. Ein vollständiges Laden kann auch bei variierenden Betriebszuständen und Betriebsbedingungen erreicht werden, auch wenn häufige Zwischenladungen vorgesehen sind. Schädliche Mangel- oder Überladungen können weitgehend vermieden werden. Dadurch resultiert insgesamt auch eine Erhöhung der Lebensdauer des Akkumulators. Zugleich lässt sich mit dem Verfahren der Erfindung eine Reduzierung des Ladefaktors erreichen. Der Ladefaktor gibt das Verhältnis der dem Akkumulator zugeführten Ladung zu der vom Akkumulator tatsächlich aufgenommenen Ladung an. Die Differenz bildet eine Verlustladung, die in dissipativen Prozessen wie Erwärmung, Gasen oder dergleichen verbraucht wird. Mit dem Verfahren der Erfindung ist es somit möglich, die Ladezeit trotz optimaler Anpassung zu verkürzen. Dabei führt die Reduzierung des Ladefaktors dazu, dass auch die dissipativen Prozesse im Akkumulator reduziert werden können. Die Ladungsimpulse können durch Ladestromimpulse gebildet sein, die eine vorgebbare Ladungsmenge transportieren. Die durch einen Ladungsimpuls transportierte Ladung kann variieren, indem beispielsweise mit zeitlichem Fortschritt der dritten Ladephase die Ladungsimpulse eine abnehmende Ladungsmenge transportieren. Die Ladungsimpulse können in vorgegebenen zeitlichen Abständen aufeinanderfolgen. Diese können im Verlauf der dritten Ladephase auch in vorgebbarer Weise variiert werden. Beispielsweise können zu Beginn der Ladephase kurze Zeitabstände zwischen den Ladungsimpulsen vorgesehen sein, wohingegen in einem späteren Abschnitt der dritten Ladephase die Ladungsimpulse einen größeren zeitlichen Abstand zueinander aufweisen. Die transportierte Ladung eines Ladestromimpulses bestimmt sich anhand seiner zeitlichen Dauer sowie seiner Stromamplitude. Die Ladestromimpulse können hinsichtlich ihrer Zeitdauer ebenfalls variieren. Wird der Akkumulator mit einer großen Ladestromamplitude beaufschlagt, können die Ladestromimpulse bei einer vorgegebenen Ladungsmenge von kurzer Zeitdauer sein. Ist dagegen eine geringere Ladestromamplitude gewünscht, so ist zur Erreichung einer vorgebbaren Ladungsmenge der Ladestromimpuls zeitlich entsprechend zu strecken, wobei seine Stromamplitude entsprechend kleiner gewählt ist.
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Die Anzahl der Ladungsimpulse wird in Abhängigkeit der während der ersten beiden Ladephasen dem Akkumulator zugeführten Ladung und einer Nennkapazität des Akkumulators gewählt. Dabei dient zur Bestimmung der Anzahl der Ladungsimpulse ein Verhältnis der während der ersten beiden Ladephasen dem Akkumulator zugeführten Ladung zur Nennkapazität des Akkumulators. Dadurch kann dem Akkumulator in gepulster Form eine zusätzliche Ladung zugeführt werden, deren Menge dynamisch an den Betriebszustand und den Alterungszustand des Akkumulators angepasst ist. Dadurch lassen sich die vorgenannten Vorteile erreichen.
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Erfindungsgemäß wird die Pulsform und Pulsdauer der Ladungsimpulse in Abhängigkeit der während der ersten und der zweiten Ladephasen dem Akkumulator zugeführten Ladung gewählt. Die Pulsform kann zum Beispiel eine Rechteckform, insbesondere eine Nadelform, eine Gausskurvenform, eine Dreieckform, eine Sinusform, Kombinationen hiervon oder dergleichen sein. Die Pulsdauer eines einzelnen Impulses kann entsprechend der Akkumulatoreigenschaften gewählt werden. Sie kann beispielsweise eine oder mehrere Millisekunden, aber auch mehrere Sekunden bis zu einigen Minuten betragen. Die Pulsdauer ist an eine Amplitude des Ladungsimpulses angepasst, so dass eine vorgegebene Menge elektrischer Ladung im jeweiligen Ladungsimpuls enthalten ist.
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Die Pulsdauer wird vorzugsweise in Abhängigkeit der während der ersten und der zweiten Ladephasen dem Akkumulator zugeführten Ladung und/oder der Nennkapazität gewählt. So kann vorgesehen sein, dass die Pulsdauer in Abhängigkeit eines Verhältnisses der dem Akkumulator zugeführten Ladung zur Nennkapazität des Akkumulators gewählt wird. Durch geeignete Auswahl der Pulsform und/oder der Pulsdauer der Ladungsimpulse kann eine Optimierung der Anpassung an die Eigenschaften des Akkumulators erreicht werden.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass in einer auf die dritte Ladephase folgenden vierten Ladephase der Akkumulator mit einem weiteren konstanten Ladestrom geladen wird, bis die Ladespannung und/oder die Ladespannungsänderung einen vorgebbaren dritten Vergleichswert erreicht. Dadurch lässt sich das Verfahren zum Laden des Akkumulators weiter verbessern. Insgesamt können dissipative Prozesse im Akkumulator während des Ladevorgangs weiter reduziert werden. Dadurch lässt sich der Ladefaktor weiter verbessern. Vorzugsweise wird der Ladestrom in Abhängigkeit der Kapazität des Akkumulators gewählt. Die Kapazität des Akkumulators kann die Nennkapazität sein. Sie kann aber auch eine Kapazität sein, die zum Beispiel unter Mitwirkung durch die Steuerung als aktuelle Kapazität des Akkumulators ermittelt wird. Insbesondere ist der Ladestrom während der gesamten vierten Ladephase konstant eingestellt. Der Ladestrom kann beispielsweise auch aufgrund einer durch die Steuerung ermittelten Kapazität des Akkumulators eingestellt werden. Vorzugsweise liegt der Wert des Ladestroms in einem Bereich von etwa 2 bis 8 A pro 100 Ah Akkumulatorkapazität, besonders bevorzugt in einem Bereich von 4 bis 5 A pro 100 Ah Akkumulatorkapazität. Diese Auswahl eignet sich insbesondere für Blei-Säure-Akkumulatoren. Bei anderen Akkumulatortypen kann der Bereich für den festeingestellten Ladestrom der vierten Ladephase auch abweichend hiervon gewählt werden, so zum Beispiel in einem Bereich von 0,5 bis 2,5 A pro 100 Ah Akkumulatorkapazität oder dergleichen.
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Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn der vorgebbare dritte Vergleichswert in Abhängigkeit der Ladungsimpulse der dritten Ladephase, insbesondere in Abhängigkeit der Anzahl, der Pulsform und/oder der Pulsdauer der Ladungsimpulse, gewählt wird. Dies ermöglicht es, automatisch auf Eigenschaften des Akkumulators in der Nähe des geladenen Zustands abzustellen und diesbezüglich eine weitere Verbesserung zu erreichen. Die geeignete Auswahl des vorgebbaren dritten Vergleichswerts ermöglicht es, insbesondere dissipative Prozesse im Akkumulator wie das Ausgasen, weiter deutlich zu reduzieren, wobei das Erreichen des voll geladenen Zustands des Akkumulators weiter verbessert beziehungsweise beschleunigt werden kann.
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Insgesamt ermöglicht es das Verfahren der Erfindung somit, jeden Vorgang einer Ladung des Akkumulators dynamisch an den Akkumulator anzupassen. Dies umfasst eine flexible Anpassung an den Akkumulatorzustand, den Akkumulatortyp, ein Akkumulatoralter, die Akkumulatortemperatur, einen Anfangsladezustand und/oder dergleichen. Mit jedem Ladezyklus kann eine Vollladung des Akkumulators erreicht werden, auch wenn Zwischenladungen vorgesehen sind. Eine Ausgleichsladung des Akkumulators kann ebenso wie schädliche Mangel- und/oder Überladungen weitgehend vermieden werden. Gegenüber Verfahren zum Laden von Akkumulatoren des Stands der Technik ist das Verfahren der Erfindung schneller und schonender für den Akkumulator. Bei geringer Gasung kann eine effektive Elektrolytdurchmischung erreicht werden. Ferner kann eine Reduzierung der Ladezeit erreicht werden, beispielsweise bei einem Blei-Säure-Akkumulator um bis zu 1,5 Stunden. Ferner kann eine Reduzierung des Wasserverbrauchs erreicht werden, beispielsweise bei einem Blei-Säure-Akkumulator bis zu 40%. Dies führt darüber hinaus zu einem reduzierten Wartungsbedarf und einer erhöhten Lebensdauer des Akkumulators. Das Verfahren der Erfindung ermöglicht es, einen Temperaturanstieg des Akkumulators während des Ladens zu reduzieren und eine Ladekennlinie adaptiv an den Akkumulator entsprechend seines jeweiligen Zustands anzupassen. Natürlich ergibt sich hierdurch auch ein Einsparungseffekt hinsichtlich der zum Laden des Akkumulators benötigten Energie.
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Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Im Wesentlichen gleichbleibende Verfahrensschritte sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Ferner wird bezüglich gleicher Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 verwiesen. Die Zeichnungen sind Schemazeichnung und dienen lediglich der Erläuterung der folgenden Ausführungsbeispiele.
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Es zeigen:
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1 schematisch eine Darstellung für einen Schaltplan zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung,
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2 eine Graphik mit mehreren Graphen, bei der ein Akkumulator zunächst 70% entladen und anschließend gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren geladen wird,
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3 eine graphische Darstellung in Form eines Diagramms wie in 2, wobei der Akkumulator in Abweichung zur Ausgestaltung nach 2 hier nur um 40% entladen wird,
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4 ein Diagramm wie in 2 dargestellt, wobei in Abweichung zum in 2 dargestellten Verfahren der Akkumulator nur um 10% beziehungsweise um 0% entladen wird und
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5 ein Diagramm wie in 2, wobei in Abweichung zum Verfahrensablauf gemäß 2 das Verfahren während des Ladens unterbrochen wird.
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2 zeigt ein Zeitdiagramm, bei dem auf der Abszisse die Uhrzeit in Stunden und Minuten aufgetragen sind. Die linke Ordinate des Diagramms gibt einen Maßstab für den Ladestrom beziehungsweise Entladestrom, die Temperatur sowie den Ladefaktor wieder.
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Eine weitere Ordinate am rechten Diagrammrand dient zur Bestimmung des Wertes der Ladespannung.
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Das Diagramm der 2 zeigt den zeitlichen Verlauf des Entladens beziehungsweise Ladens eines Gleich-Säure-Akkumulators mit einer Nennspannung von 24 Volt sowie einer Nennkapazität von 500 Ah.
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Der grundsätzliche Aufbau zur Durchführung des Verfahrens der Erfindung ist beispielhaft anhand eines schematischen Schaltbildes in 1 dargestellt. 1 zeigt eine Ladungsquelle 10, die vorliegend durch ein Ladegerät gebildet ist, welches zwecks Energiebezug mit einem nicht dargestellten öffentlichen Energieversorgungsnetz verbunden ist. Das Ladegerät 10 weist eine Steuereinheit 14 sowie ein Leistungsteil 36 auf. Mittels der Steuereinheit 14 werden nicht dargestellte Schaltmittel des Leistungsteils 36 gesteuert, so dass das Ladegerät 10 hinsichtlich des Stromes und der Spannung gesteuert werden kann. Das Ladegerät 10 weist ferner zwei Anschlüsse 34 auf, die über nicht bezeichnete Leitungen jeweils mit einem Pol 32 eines Akkumulators 12 elektrisch leitend verbunden sind. Über die Leitungen liegt die elektrische Spannung zwischen den Polen 32 auch an den Anschlüssen 34 des Ladegeräts 10 an. Der Akkumulator 12 ist vorliegend als Blei-Säure-Akkumulator ausgebildet und weist 12 nicht dargestellte Akkumulatorzellen auf, die in Reihe geschaltet sind. Dadurch ergibt sich eine Nennspannung an den Polen 32 des Akkumulators 12 von 24 Volt. Ebenfalls am Akkumulator 12 angeschlossen ist ein Verbraucher 16, der über einen Schalter 18 eingeschaltet werden kann. Im bestimmungsgemäßen Betrieb bezieht der Verbraucher 16 elektrische Energie aus dem Akkumulator 12 und das Ladegerät 10 ist abgeschaltet. In diesem Betriebszustand wird der Akkumulator 12 durch den Verbraucher 16 entladen. Durch Öffnen des Schalters 18 wird die Entladung des Akkumulators 12 durch den Verbraucher 16 beendet. In diesem Betriebszustand ist vorgesehen, dass der Akkumulator 12 mittels des Ladegeräts 10 geladen werden kann. Der Verbraucher 16 ist in 1 lediglich als elektrischer Widerstand dargestellt. Er kann aber auch durch eine elektrische Maschine, eine elektrische Anlage, vorzugsweise mit einer Mehrzahl von Verbrauchern, oder dergleichen gebildet sein.
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Im Ladebetrieb stellt das Ladegerät 10 einen Ladungsstrom bereit, der durch eine der elektrischen Leitungen zum Akkumulator 12, durch den Akkumulator 12 hindurch und über die zweite der elektrischen Leitungen wieder zum Ladegerät 10 zurückströmt. Dadurch wird ein geschlossener Stromkreis gebildet. Aufgrund des Ladestroms wird dem Akkumulator 12 elektrische Ladung zugeführt. Die Menge der zugeführten elektrischen Ladung entspricht in der Regel etwa dem über die Zeit integrierten elektrischen Ladestrom, wobei die Ladung des Akkumulators 12 um dissipative Prozesse reduziert ist. Vorliegend ist der Akkumulatorstrom der Strom, der den Akkumulator 12 von einem seiner Pole 32 zum anderen seiner Pole 32 durchströmt. Beim Laden des Akkumulators 12 ist der Akkumulatorstrom der Ladestrom, wohingegen beim Entladen des Akkumulators 12 der Akkumulatorstrom der Entladestrom ist.
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2 zeigt nun im Diagramm graphisch dargestellt einen Zyklus von Entladen und Aufladen des Akkumulators 12, wobei der Akkumulator 12 während des Entladevorgangs um 70% entladen wird.
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Im Diagramm der 2 ist in einem linken Bereich der Vorgang des Entladens mit einer Entladephase 28 dargestellt. Der Akkumulatorstrom, der in dieser Phase ein Entladestrom ist, ist mit dem Bezugszeichen 42 in dem Diagramm der 2 gekennzeichnet. Daraus ist ersichtlich, dass während der Entladephase 28 der Akkumulator 12 mit einem Akkumulatorstrom von etwa 100 A entladen wird. Hierzu ist unter Bezug auf 1 während der Entladephase 28 der Schalter 18 geschlossen, so dass der Verbraucher 16 eine entsprechende Entladung des Akkumulators 12 vorsieht. Am Ende der Entladephase 28 wird der Schalter 18 geöffnet und der Akkumulatorstrom wird auf 0 A reduziert.
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Aus dem Diagramm der 2 ist ferner ersichtlich, dass während der Entladephase 28 die Akkumulatorspannung, das heißt die Spannung zwischen den Polen 32 des Akkumulators 12 von etwa 24,5 auf 22,5 Volt abnimmt. Die Akkumulatorspannung liegt in der Entladephase 28 am Verbraucher 16 an. Am Ende der Entladephase 28 springt die Akkumulatorspannung wieder auf die Nennspannung von etwa 24 Volt. Zwei weitere Graphen 38, 40 im Diagramm der 2 zeigen die Verläufe der Umgebungstemperatur sowie der Akkumulatortemperatur an. Die Umgebungstemperatur wird durch den Graphen mit dem Bezugszeichen 38 und die Akkumulatortemperatur durch den Graphen mit dem Bezugszeichen 40 dargestellt. Ersichtlich ist, dass sich während der Entladephase 28 die Akkumulatortemperatur geringfügig erhöht. Dies resultiert durch Verluste im Inneren des Akkumulators, die im Wesentlichen durch den Stromfluss verursacht werden.
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An den Entladevorgang schließt sich ein Ladevorgang gemäß dem Verfahren der Erfindung an. Wie aus dem Diagramm der 2 ersichtlich ist, wird zunächst während einer ersten Ladephase 20 ein Ladestrom als Akkumulatorstrom erzeugt, der durch das Ladegerät 10 bereitgestellt ist. Vorliegend beträgt der Ladestrom etwa 100 A. Während des Ladevorgangs ist der Schalter 18 geöffnet. Aus dem Diagramm der 2 ist ferner ersichtlich, dass beim Starten des Ladevorgangs gemäß der ersten Ladephase 20 die Akkumulatorspannung einen Sprung von etwa 24 Volt auf etwa 26 Volt macht (vgl. Graph 44 für die Akkumulatorspannung). Während dieser Phase bleibt der Akkumulatorstrom, der hier ein Ladestrom ist, auf einem Wert von etwa 100 A, was etwa dem Strom während der Entladung entspricht. Während der ersten Ladephase 20 steigt die Akkumulatorspannung geringfügig an, bis auf einen Wert von etwa 28,5 Volt am Ende der ersten Ladephase 20. Während der ersten Ladephase 20 wird der Wert der Akkumulatorspannung permanent mit einem Vergleichswert für die Akkumulatorspannung verglichen, der vorliegend bei etwa knapp 28,5 Volt liegt. Mit Beginn der Ladung des Akkmulators 12 ist in dem Diagramm der 2 ferner ein Graph 46 für den Ladefaktor ersichtlich. Dieser steigt von einem Wert von 0 zu Beginn der ersten Ladephase 20 bis auf einen Wert von etwa 0,65 am Ende der ersten Ladephase 20. Bei Erreichen der Spannung von knapp 28,5 Volt, was dem ersten Vergleichswert entspricht, am Ende der ersten Ladephase 20, wird das Ladegerät 10 von einer Ladung des Akkumulators 12 mit konstantem Strom von 100 A umgeschaltet auf eine Ladung des Akkumulators 12 mit einer im Wesentlichen konstanten Ladespannung von vorliegend etwa 28,5 Volt während einer hier nun beginnenden zweiten Ladephase 22.
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Während der zweiten Ladephase 22 wird der Akkumulatorstrom mit einem Vergleichswert für den Akkumulatorstrom verglichen, der vorliegend bei etwa 16 A liegt. Während des zeitlichen Fortschritts der Ladephase 22 sinkt der Akkumulatorstrom, das heißt der Ladestrom, gemäß Graph 42 beständig ab. Dabei wird der jeweils aktuelle Wert des Akkumulatorstroms mit dem Vergleichswert verglichen. Wird der Vergleichswert vom Akkumulatorstrom am Ende der zweiten Ladephase 22 erreicht, wird das Ladegerät 10 hinsichtlich des Ladebetriebs erneut umgeschaltet.
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Während der zweiten Ladephase 22 nimmt die Akkumulatortemperatur 40 weiter zu, ebenso der Ladefaktor 46.
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An die zweite Ladephase 22 schließt sich nun aufgrund der automatischen Umschaltung des Ladegeräts 10 eine dritte Ladephase 44 an, bei der der Akkumulator mittels Ladungsimpulsen 30 geladen wird. Die Anzahl der Ladungsimpulse 30 wird in Abhängigkeit der während der ersten und der zweiten Ladephasen 20, 22 dem Akkumulator 12 zugeführten Ladung und/oder einer Nennkapazität des Akkumulators 12 gewählt. Im vorliegenden Fall wurde während der ersten und der zweiten Ladephasen 20, 22 dem Akkumulator 12 eine Ladung von etwa 360 Ah zugeführt. Bei dieser Ausgestaltung ist vorgesehen, dass während der dritten Ladephase 24 zwölf Impulse erzeugt werden, mit denen dem Akkumulator 12 ergänzend Ladung zugeführt wird. Die Impulse haben in dieser Ausgestaltung eine Stromamplitude von etwa 60 A. Vorliegend beträgt die Impulsdauer etwa 2,5 Minuten. Die Ladungsimpulse 30 sind zeitlich etwa 2,5 Minuten beabstandet. Natürlich können die Werte für die Amplitude und die zeitliche Dauer des Impulses bei Bedarf entsprechend variiert werden.
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Die Anzahl der Ladungsimpulse 30 wird vorliegend anhand einer Funktion gemäß der während der ersten und der zweiten Ladephasen 20, 22 zugeführten Ladung ermittelt. Das Ladegerät 10 wird entsprechend zur Erzeugung der Ladungsimpulse 30 gesteuert.
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Im Anschluss an die dritte Ladephase 24 folgt eine vierte Ladephase 26. Während der vierten Ladephase 26 wird der Akkumulator 12 mit einem weiteren konstanten Ladestrom geladen. Die Akkumulatorspannung, das heißt während des Ladevorgangs die Ladespannung, und/oder eine Akkumulatorspannungsänderung, das heißt eine Ladungsspanungsänderung, wird während der vierten Ladephase 26 mit einem vorgebbaren dritten Vergleichswert verglichen. Erreicht die Akkumulatorspannung den dritten Vergleichswert, wird der Ladevorgang automatisch durch das Ladegerät 10 beendet.
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In der vorliegenden Ausgestaltung gemäß dem Diagramm der 2 ist vorgesehen, dass der Ladestrom während der vierten Ladephase 26 etwa 25 A beträgt und während der vierten Ladephase 26 durch das Ladegerät 10 konstant eingestellt ist. Die Akkumulatorspannung wird überwacht, und sobald der dritte Vergleichswert erreicht wird, wird der Ladevorgang beendet.
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Der dritte Vergleichswert wird in Abhängigkeit der Ladungsimpulse 30 der dritten Ladephase 24 gewählt.
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In dem in 2 dargestellten Verlauf des Ladens des Akkumulators 12 wurden insgesamt 397 Ah an Ladung dem Akkumulator 12 zugeführt. Hierdurch ergibt sich ein Ladefaktor von 1,1. Die Ladezeit für den die erste bis die vierte Ladephase 20, 22, 24, 26 umfassenden Ladevorgang beträgt 5 Stunden und 52 Minuten. Am Ende des Ladevorgangs beträgt die Säurewichte 1,3. Die Akkumulatortemperatur 40 hat sich gegenüber der beim Start des Ladevorgangs zu Beginn der ersten Ladephase 20 um etwa 11,6°K erhöht.
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3 zeigt ein Diagramm für die Durchführung des vorbeschriebenen Verfahrens der Erfindung dem Grunde nach wie bei 2, wobei jedoch lediglich eine Entladung um 40% vorgesehen ist. Die übrigen Randbedingungen bleiben im Wesentlichen erhalten, weshalb auf die vorhergehenden Ausführungen zum Ausführungsbeispiel gemäß 2 verwiesen wird. Die geringere Entladung äußert sich insbesondere dadurch, dass die Zeitdauer der Entladephase 28 gegenüber der gemäß 2 verkürzt ist. Der Entladestrom ist hinsichtlich seiner Amplitude wie bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel zu 100 A gewählt. Wie beim vorhergehenden Ausführungsbeispiel zur 2 sind der erste und der zweite Vergleichswert im Wesentlichen identisch gewählt. Dadurch ergibt sich eine Verkürzung der ersten Ladephase 20 und der zweiten Ladephase 22. Bei der dritten Ladephase 24 ist erkennbar, dass anstelle von 12 Ladeimpulsen lediglich noch 7 Ladeimpulse ausgeführt werden. Die Energie eines Impulses 30 entspricht der im vorhergehenden Ausführungsbeispiel. Ebenso ist erkennbar, dass hier die vierte Ladephase 26 gegenüber der vierten Ladephase 26 gemäß 2 verlängert ist. Auch hier ist der dritte Vergleichswert entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 gewählt. Der Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel zur 2 zeigt die Auswirkungen der geringeren Entladung bei diesem Ausführungsbeispiel.
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Zwei weitere Beispiele sind in dem Diagramm gemäß 4 dargestellt. Das Diagramm gemäß 4 ist durch eine zu den Ordinaten parallel ausgerichtete Trennlinie 48 in zwei Bereiche geteilt, wobei ein linker Bereich, der mit „Ladung 1” beschriftet ist, das Verfahren der Erfindung gemäß 1 für eine Entladung um lediglich 10% darstellt und wobei der rechte Bereich, überschrieben mit „Ladung 2”, die Anwendung des Verfahrens gemäß der Erfindung ohne vorhergehende Entladung des Akkumulators 12 zeigt. Auch diesen Ausführungsbeispielen liegt ebenso wie beim Ausführungsbeispiel gemäß 3 die Anordnung gemäß 1 zugrunde.
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Bezogen auf das Ausführungsbeispiel „Ladung 1” in 4 ist ersichtlich, dass sowohl die erste Ladephase 20 als auch die zweite Ladephase 22 gegenüber den vorhergehenden Ausführungsbeispielen gemäß der 2 und 3 deutlich verkürzt sind. Entsprechend sind in der Ladephase 3 lediglich noch drei Ladungsimpulse 30 vorgesehen. Hierbei ergibt sich darüber hinaus deutlich, dass die Stromamplitude der Ladungsimpulse 30 mit zunehmendem Voranschreiten der Ladung des Akkumulators 12 abnimmt. Die Ladungsimpulse werden nämlich durch Konstantspannungsimpulse erzeugt, die vom Ladegerät 10 generiert werden. Vorliegend ist vorgesehen, dass die Spannungsamplitude des Ladungsimpulses 30 etwa 33,5 Volt beträgt. Dies gilt im Übrigen auch für die vorhergehenden Ausführungsbeispiele.
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An die dritte Ladephase 24 schließt sich eine vierte Ladephase 26 an, die gegenüber den vorhergehenden Beispielen, insbesondere dem gemäß 3 nochmals deutlich verlängert ist.
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In dieser Ausgestaltung wurde der Akkumulator 12 während der Entladephase um 48,3 Ah entladen. Die darauf folgende Ladephase führte dem Akkumulator 12 76,8 Ah hinzu, wobei sich ein Ladefaktor von 1,59 ergibt. Die Ladezeit beträgt 2 Stunden 14 Minuten. Die Säurewichte beträgt wieder 1,3. Die Temperaturerhöhung der Akkumulatortemperatur 40 während des Aufladens beträgt 4,4 K.
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4 zeigt im rechten Bereich von der Trennlinie 48 einen zweiten Ladevorgang, überschrieben mit „Ladung 2”. Dieser zeigt das Verfahren der Erfindung gemäß der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, wobei der Akkumulator 12 zuvor nicht entladen wurde. Es ist ersichtlich, dass die erste und die zweite Ladephasen 20, 22 vollständig entfallen sind. Ebenso wird keine Mehrzahl von Ladungsimpulsen 30 erzeugt. Im Wesentlichen erkennt die Steuereinheit 14, dass der Akkumulator 12 geladen ist und reagiert entsprechend durch Steuerung des Leistungsteils 36. Entsprechend wird lediglich ein einziger Spannungsimpuls mit einer Ladespannung beziehungsweise Akkumulatorspannung von 33 Volt erzeugt, so dass ein konstanter Strom von 25 A als Akkumulatorstrom dem Akkumulator 12 Ladung zuführt. Bereits nach kurzer Zeit wird der Ladevorgang beendet. In dieser Zeit wurde dem Akkumulator eine Ladung von 16,4 Ah in einer Ladezeit von 39 Minuten zugeführt.
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5 zeigt ein weiteres Beispiel für das Verfahren zum Laden eines Akkumulators 12 gemäß der Erfindung. Im Unterschied zu den vorhergehenden Beispielen ist hier jedoch vorgesehen, dass der Ladevorgang in einem Bereich 50 des Diagramms in 5 unterbrochen wird. Die Unterbrechung erfolgt vor Beendigung der zweiten Ladephase 22. Aus dem Diagramm gemäß 5 ergibt sich, dass in diesem Fall der Ladevorgang entsprechend fortgesetzt wird. Im Unterschied hierzu führt die Unterbrechung jedoch dazu, dass sich an die zweite Ladephase 22 eine Kombination der dritten und der vierten Ladephase 24, 26 anschließt, die lediglich durch einen einzigen Impuls gebildet ist, bei dem entsprechend der vierten Ladephase 26 der Strom konstant auf 25 A im vorliegenden Beispiel eingestellt ist. Bei Erreichen des dritten Vergleichswerts wird das Ladeverfahren wieder automatisch durch das Ladegerät 10 beendet. Die Vergleichswerte sind in den Ausführungsbeispielen vorliegend einheitlich eingestellt. Sie können jedoch bei Bedarf entsprechend variiert werden.
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Das Verfahren der Erfindung wurde anhand eines Blei-Säure-Akkumulators mit nassem Elektrolyten erläutert. Natürlich können hier auch andere Akkumulatoren zum Einsatz kommen, wie sie einleitend beschrieben wurden. Je nach Bedarf, können Ladeparameter wie Ladestrom, Ladespannung, Vergleichswerte und/oder dergleichen gegebenenfalls angepasst werden, um das Ladeverfahren für unterschiedliche Akkumulatortypen zu optimieren. In den Diagrammen der 2 bis 5 sind jeweils die Beträge der Ströme dargestellt, um das Diagramm zu vereinfachen. Tatsächlich fließen der Ladestrom und der Entladestrom natürlich in entgegengesetzter Richtung, so dass je nach Wahl eines Bezugssystems einer der Ströme negativ ist.
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Die Beschreibung dient lediglich der Erläuterung der Erfindung und ist für diese nicht beschränkend.
