DE1233934B - Process for the automatic multi-stage charging of accumulator batteries - Google Patents

Description

Verfahren zur automatischen Mehrstufenladung von Akkumulatoren-Batterien Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen Mehrstufenladung von Akkumulatoren-Batterien, bei dem der Ladestrom mehr als einmal jeweils bei Erreichen der Gasungsspannung durch eine spannungsabhängige Schaltanordnung, welche auf einen Schrittschalter wirkt, vermindert wird.Process for the automatic multi-stage charging of accumulator batteries The invention relates to a method for automatic multi-stage charging of accumulator batteries, in which the charging current more than once each time the gassing voltage is reached by a voltage-dependent switching arrangement, which on a step switch acts, is reduced.

Die Mehrstufenladung von Akkumulatoren-Batterien ist in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. Diese verfolgen sämtlich den Zweck, in möglichst kurzer Zeit eine vollständige Aufladung der Batterie zu erreichen.The multi-stage charging of accumulator batteries is different Embodiments known. These all pursue the purpose in the shortest possible time Time to fully charge the battery.

Am nächsten kommt man diesem Ziel bei Ladung nach der sogenannten IUI-Kennlinie, wobei man zunächst mit verhältnismäßig hohem, konstantem Strom lädt, bis die Gasungsspannung erreicht wird. Von da ab hält man die Spannung konstant, wodurch der Strom kontinuierlich abnimmt. Nach Erreichen eines unteren, zulässigen Grenzstromes wird in der dritten Stufe dieser Strom bis zum Volladen konstant gehalten und muß dann abgeschaltet werden. Bei dieser Methode wird die Batterie zu jeder Zeit mit dem maximal zulässigen Strom und damit in der kürzesten Zeit aufgeladen. Die Einstellung der Ladeeinrichtung muß hierbei jedoch der angeschlossenen Batterie angepaßt werden, indem der Strom der dritten Stufe auf den für die betreffende Batterieart und -größe maximal zulässigen Wert eingestellt wird. Die Durchführung der Ladung erfordert außerdem eine komplizierte und kostspielige Regelautomatik. Dazu kann an die betreffende Ladeeinrichtung jeweils nur eine einzige Batterie angeschlossen werden.The closest you get to this goal is to load after the so-called IUI characteristic, whereby one initially charges with a relatively high, constant current, until the gassing voltage is reached. From then on the tension is kept constant, whereby the current decreases continuously. After reaching a lower, permissible With the limit current, this current is kept constant in the third stage until it is fully charged and then has to be switched off. In this method, the battery becomes everyone Time with the maximum permissible current and thus charged in the shortest possible time. The setting of the charging device must, however, depend on the connected battery be adjusted by changing the current of the third stage to that for the battery type in question and size is set to the maximum permissible value. Carrying out the charge also requires a complicated and expensive automatic control system. Can do this connected to the charging device in question only a single battery will.

Diese Nachteile werden zu einem Teil bei der Ladung nach IU-Kennlinie vermieden. Bei diesem Verfahren entfällt die letzte Ladestufe, und der Strom klingt auf einen am Schluß sehr niedrigen Wert ab, welcher kein besonderes Abschalten erfordert. In derartigen Einrichtungen können Batterien beliebiger Größe und Zellenzahl sogar gleichzeitig angeschlossen werden, jedoch ist auch bei diesem Verfahren eine komplizierte Regelautomatik erforderlich, und der am Schluß sehr niedrige Ladestrom erfordert verhältnismäßig lange Ladezeiten, wenn die Batterien vollständig aufgeladen werden sollen.These disadvantages become part of the charging according to the IU characteristic avoided. With this method, the last charging stage is omitted and the current sounds to a very low value at the end, which does not require any special shutdown. Batteries of any size and number of cells can even be used in such devices can be connected at the same time, but this method is also a complicated one Automatic control required, and which ultimately requires a very low charging current relatively long charging times when the batteries are fully charged should.

Daneben sind die verschiedensten Anordnungen zur Durchführung der automatischen Mehrstufenladung von Akkumulatoren-Batterien bekanntgeworden, bei denen der Ladestrom jeweils bei Erreichen der Gasungsspannung stufenweise verringert wird. Zu diesem Zweck werden den Akkumulatoren-Batterien spannungsempfindliche Schaltanordnungen parallel geschaltet, die bei Erreichen der Gasungsspannung Relais betätigen, die den Ladestrom stufenweise vermindern. Als Relais werden beispielsweise Stoßstromrelais mit Schrittschaltern verwendet, die den Ladestrom bei Erreichen der Gasungsspannung verringern. Dieser Ladung können sich durch Zeitschaltwerke begrenzte Nachladeperioden anschließen, oder die Gesamtladezeit wird durch Schaltuhrwerke zeitlich begrenzt.In addition, there are various arrangements for carrying out the automatic multi-stage charging of accumulator batteries became known at which the charging current is gradually reduced when the gassing voltage is reached will. For this purpose, the accumulator batteries are voltage-sensitive switching arrangements connected in parallel, which actuate relays when the gassing voltage is reached gradually reduce the charging current. Impulse current relays, for example, are used as relays used with step switches that control the charging current when the gassing voltage is reached to decrease. This charge can be reloaded by time switches for limited recharging periods or the total charging time is limited by time switches.

Diese bekannten Mehrstufenlademethoden besitzen jedoch verschiedene Nachteile. Insbesondere wird nicht in allen Fällen eine gründliche Aufladung der Akkumulatoren-Batterien erreicht, und die Ladung erfolgt nicht in einer optimal kurzen Zeitdauer.However, these known multi-stage charging methods have different ones Disadvantage. In particular, a thorough charge of the Accumulators reached batteries, and the charge is not carried out in an optimal way short duration.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, unter Vermeidung der obengenannten Nachteile ein Ladeverfahren zu schaffen, bei dem die Kosten für die Ladeeinrichtung in vertretbaren Grenzen bleiben. Bei dem Ladeverlauf, der im Idealfall der IU-Kennlinie nahekommen sollte, sollte jedoch ein Volladen in kürzerer Ladezeit erzielt werden. Außerdem sollte das Gerät so sicher arbeiten, daß es unabhängig von der Batteriegröße und dem Ladezustand der Batterie angewendet werden kann.The object of the present invention was to avoid the above Disadvantages of creating a charging method in which the costs for the charging device stay within reasonable limits. In the case of the charging process, which in the ideal case is the IU characteristic should come close, however, a full charge should be achieved in a shorter charging time. In addition, the device should work so safely that it works regardless of the size of the battery and the state of charge of the battery.

Diese Aufgabe wird beim erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß eine oder mehrere Schaltstellungen des Schrittschaltwerkes, das den Ladestrom stufenweise vermindert, mehrmals durchlaufen werden.This object is achieved in the method according to the invention by that one or more switching positions of the stepping mechanism that controls the charging current gradually reduced, repeated several times.

Beispielsweise sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Schaltuhr vor, welche den stromregelnden Schrittschalter automatisch auf die erste Schaltstufe zurücklegt sowie er aus den obigen Gründen länger als eine vorgegebene Zeitspanne in einer Schaltstellung verharrt. Hierauf beginnt das oben beschriebene stufenweise Herabschalten von neuem, und zwar so oft, bis die letzte Stufe erreicht ist. Ein Schaltuhrwerk beendet schließlich nach einer Nachperiode von festgelegter Dauer den Ladevorgang.For example, the device according to the invention sees a time switch before which the current-regulating step switch automatically to the first switching stage and he travels longer than a predetermined period of time for the reasons above remains in a switch position. Then the above-described begins in stages Downshift again, as often as necessary until the last step is reached. A The time switch mechanism ends after a grace period of a specified duration the charging process.

Werden die Stufenschritte fein genug gewählt, so kann hiermit eine Ladung erreicht werden, welche einer IU-Ladung praktisch gleichkommt. Der Vorteil gegenüber der IU-Ladung besteht jedoch darin, daß die Stromstärke der letzten Stufe auf einer solchen Höhe gehalten werden kann, daß sich eine kürzere Volladezeit ergibt als bei der IU-Kennlinie.If the step steps are chosen finely enough, a Charge can be achieved which is practically equivalent to an IU charge. The advantage over the IU charge, however, is that the current strength of the the last step can be kept at such a height that a shorter one can be achieved Full charging time results than with the IU characteristic.

Beispiele Die Zeichnung zeigt in F i g. 1 ein Schaltbeispiel für die beschriebene Vorrichtung. Die Ziffern bedeuten 1 bis 6 Kontakte des Schrittschalters, 7 Stromstoßrelais, 8 Kontaktsatz von 7 (Schrittschalter), 9 Batterie, 10 Einschalttaste, 11 Spannungsabhängige Schaltanordnung; z. B. Relais, 12 Arbeitskontakt von 11, 13 Relais, 14 Arbeitskontakt von 13, 15 1. Ruhekontakt von 13, 16 2. Ruhekontakt von 13, 17 Schaltuhrwerk, 18 Schaltglied.Examples The drawing shows in FIG. 1 shows a circuit example for the device described. The numbers mean 1 to 6 contacts of the step switch, 7 impulse relay, 8 contact set of 7 (step switch), 9 battery, 10 power button, 11 voltage-dependent switching arrangement; z. B. Relay, 12 make contact of 11, 13 relay, 14 make contact of 13, 15 1st break contact of 13, 16 2nd break contact of 13, 17 time switch mechanism, 18 switching element.

Steigt die Batteriespannung im Verlauf der Rufladung der Akkumulatorenbatterie an die Grenze der Gasungsspannung (etwa 2,4 Volt pro Zelle beim Bleiakkumulator und etwa 1,6 Volt pro Zelle beim Nickel-Cadmium-Akkumulator), so spricht die spannungsabhängige Schaltanordnung 11, z. B. ein Relais, ein Kontaktmeßwerk, eine Transistorschaltung mit Zenerdiode, eine Thyratronschaltung, an und betätigt das Relais 13. Dieses unterbricht die Stromzuführung zum Kontaktsatz des Stromstoßrelais 7 und schaltet dadurch den Schrittschalter 8 eine Stufe weiter, wodurch der Ladestrom verringert wird. Ebenfalls gleichzeitig wird die spannungsabhängige Schaltanordnung 11 von der Batteriespannung getrennt, wobei gewährleistet sein muß, daß das Relais 13 voll durchzieht. Dadurch erreicht die spannungsabhängige Schaltanordnung wieder die Ausgangsposition; ebenfalls das Relais 13. Das beschriebene Schaltspiel wiederholt sich nun jeweils bei Erreichen der Gasungsspannung, wodurch der Ladestrom durch das Stromstoßrelais verringert und schließlich in der letzten Stufe 6 abgeschaltet oder durch ein Schaltuhrwerk über eine weitere wählbare Zeitspanne gesteuert und dann abgeschaltet wird. Verharrt der Schrittschalter 8 länger als eine vorgegebene Zeit in einer Schaltstufe, so arbeitet ein Schaltuhrwerk 17, das über das Schaltglied 18 auf das Schrittschaltwerk 8 einwirkt und dieses auf eine der vorhergehenden Stufen, insbesondere auf die Stufe 1, zurückstellt. Ein Beispiel für den zeitlichen Verlauf der Batteriespannung U in Abhängigkeit von der Zeit t an einem älteren vollständig entladenen Bleiakkumulator ist in F i g. 2 dargestellt.If the battery voltage rises in the course of the call charge of the accumulator battery to the limit of the gassing voltage (about 2.4 volts per cell for lead batteries and about 1.6 volts per cell for nickel-cadmium batteries), the voltage-dependent switching arrangement 11, e.g. B. a relay, a contact measuring mechanism, a transistor circuit with Zener diode, a thyratron circuit, and actuates the relay 13. This interrupts the power supply to the contact set of the surge relay 7 and thereby switches the step switch 8 one step further, whereby the charging current is reduced. Also at the same time, the voltage-dependent switching arrangement 11 is separated from the battery voltage, it must be ensured that the relay 13 pulls through fully. As a result, the voltage-dependent switching arrangement reaches the starting position again; also the relay 13. The switching cycle described is repeated each time the gassing voltage is reached, whereby the charging current is reduced by the surge relay and finally switched off in the last stage 6 or controlled by a timer over a further selectable period of time and then switched off. If the step switch 8 remains in a switching stage for longer than a predetermined time, a time switch mechanism 17 operates, which acts on the step switch mechanism 8 via the switching element 18 and resets it to one of the preceding stages, in particular to stage 1. An example of the time course of the battery voltage U as a function of the time t on an older, fully discharged lead-acid battery is shown in FIG. 2 shown.

Die Ziffern 1' bis 6' bezeichnen hier die Zeitpunkte, in denen der Schrittschalter auf die der jeweiligen Ziffer entsprechende Schaltstufe (F i g. 1) umschaltet. d t1 ist die maximale Laufzeit für eine Schaltstufe, die mittels eines Schaltuhrwerkes vorgewählt wird. d t., ist die Nachperiode.The numbers 1 'to 6' denote the times at which the step switch switches to the switching stage (FIG. 1) corresponding to the respective number. d t1 is the maximum running time for a switching stage, which is preselected by means of a time switch mechanism. d t., is the post-period.

Die Ladestromstärke ist in Schaltstufe 1 so groß, daß die Spannung an der vollständig entladenen älteren Batterie sofort die Gasungsspannung erreicht, so daß der Ladestrom auf der Stufe 2 verringert wird. Alsbald erfolgt aus dem gleichen Grund Umschaltung auf Ladestrom 3. Der Verlauf der Ladekurve normalisiert sich, d. h., die Sulfatation geht zurück, jedoch ist die Ladezeit auf Stufe 3 zu groß. Nach festgelegter Zeit A t1 erfolgt daher Rückstellung des Schrittschalters auf Ausgangsstellung. Der weitere Verlauf der Aufladung entspricht etwa dem einer teilentladenen einwandfreien Batterie. In den Schaltstufen 3 bis 5 wird die Batterie praktisch vollständig aufgeladen, und in der letzten Schaltstufe 6 des Schrittschalters wird der Ladestrom entweder abgeschaltet (Kurve 17 in F i g. 2) oder während einer anschließenden Nachperiode durch ein Schaltuhrwerk gesteuert (Kurven 18 und 19), nachdem er eventuell nochmals stark herabgesetzt wurde (Kurve 18).The charging current in switching stage 1 is so great that the voltage on the fully discharged older battery immediately reaches the gassing voltage, so that the charging current is reduced in stage 2. For the same reason, it soon switches to charging current 3. The course of the charging curve normalizes, ie the sulphation decreases, but the charging time at level 3 is too long. After a specified time A t1, the step switch is therefore reset to its initial position. The further course of charging corresponds roughly to that of a partially discharged, faultless battery. In switching stages 3 to 5, the battery is practically fully charged, and in the last switching stage 6 of the step switch, the charging current is either switched off (curve 17 in FIG. 2) or controlled by a time switch mechanism during a subsequent post-period (curves 18 and 19 ), after possibly having been greatly reduced again (curve 18).

Das neue Verfahren ermöglicht eine schnelle und gründliche Aufladung von Akkumulatoren-Batterien mit einem einfachen und wenig aufwendigen Ladegerät.The new process enables quick and thorough charging of accumulator batteries with a simple and inexpensive charger.

Insbesondere bei starker Sulfatation eines Akkuinulators kann es infolge des höheren Innenwiderstandes der Batterie geschehen, daß die ersten Schaltstufen eines Schrittschaltwerkes bei der bekannten Mehrstufenladung sehr schnell durchlaufen werden und die Ladung in einer niedrigen Schaltstufe erfolgt, obwohl inzwischen die Aufnahmefähigkeit der Batterie durch Schwinden der Sulfatation wieder normal geworden ist. Das neue Verfahren gestattet es, auch derartige sulfatierte Akkumulatoren einwandfrei wieder aufzuladen, da der zu bestimmten Zeitpunkten erhöhten Stromaufnahmefähigkeit des Akkumulators durch die Zurückschaltung auf eine der vorhergehenden Ladestufen Rechnung getragen wird. Die Ladezeit wird hierdurch erheblich verkürzt. Dieser Vorteil ist zwar insbesondere für sulfatierte Akkumulatoren von Bedeutung, spielt jedoch auch bei der Ladung nichtsulfatierter Akkumulatoren eine wesentliche Rolle. Die Stromaufnahmefähigkeit eines Akkumulators wird nämlich durch die verschiedensten Vorgänge während der Ladung erhöht. So erhöht sich die Stromaufnahmefähigkeit eines Akkumulators beim Laden durch die größere Erwärmung und damit die Erhöhung der Diffusionsgeschwindigkeit der Säure. Dies gilt insbesondere bei hoher Anfangsstromstärke in der ersten Ladestufe, wie sie für das schnelle Laden erforderlich ist. Auch durch die Umwandlung von Bleisulfat in Bleidioxid bzw. Bleischwamm wird der Diffusionswiderstand verringert, da die betreffenden Masseteilchen ein geringeres Volumen annehmen. Neben dem Diffusionswiderstand verringert sich auch der Ohmsche Widerstand. Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann daher bei allen Akkumulatoren eine bedeutende Verkürzung der Ladedauer ohne Schwierigkeiten erzielt werden.In particular, if a battery pack is severely sulphated, it can result the higher internal resistance of the battery that the first switching stages happen a stepping mechanism with the known multi-stage charging run through very quickly and the charge takes place in a low switching stage, although in the meantime the capacity of the battery to return to normal due to the disappearance of the sulfation has become. The new process makes it possible to also use such sulfated accumulators can be recharged properly because of the increased power consumption at certain times of the accumulator by switching back to one of the previous charging stages Is taken into account. This significantly shortens the loading time. This advantage is of particular importance for sulfated accumulators, but it does play also plays an important role when charging non-sulphated accumulators. the The current capacity of an accumulator is determined by the most varied Operations increased during the charge. This increases the power consumption of a Accumulator during charging due to the greater heating and thus the increase in the diffusion speed the acid. This applies in particular to a high initial amperage in the first charging stage, as required for fast loading. Also by converting lead sulphate In lead dioxide or lead sponge, the diffusion resistance is reduced because the relevant mass particles assume a smaller volume. In addition to the diffusion resistance the ohmic resistance also decreases. By using the invention The method can therefore significantly reduce the charging time for all accumulators can be achieved without difficulty.

Claims (1)

Patentansprüche: 1. Verfahren zur automatischen Mehrstufenladung von Akkumulatoren-Batterien, bei dem der Ladestrom mehr als einmal jeweils bei Erreichen der Gasungsspannung stufenweise durch eine spannungsabhängige Schaltanordnung, welche auf einen Schrittschalter wirkt, vermindert wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere Schaltstellungen des Schrittschalters, gesteuert durch ein Schaltuhrwerk, mehr als einmal durchlaufen werden. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltwerk einmal oder mehrmals auf eine der vorhergehenden Schaltstellungen, vorzugsweise die erste Schaltstellung, zurückgeschaltet wird, sobald eine vorgegebene Zeit abgelaufen ist. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltwerk auf eine der vorhergehenden Schaltstellungen, vorzugsweise die erste Schaltstellung, zurückgeschaltet wird, wenn in einer Stufe zwischen der ersten und letzten Schaltstufe die Gasungsspannung innerhalb einer vorgegebenen Zeit nicht erreicht wird. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestrom in der letzten Schaltstufe bei Erreichen der Gasungsspannung abgeschaltet wird oder daß sich eine durch ein Uhrwerk zeitlich begrenzte Nachladeperiode anschließt. 5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtladezeit durch ein Schaltuhrwerk zeitlich begrenzt wird. 6. Ladegerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 oder 3 mit einem Transformator mit nachgeschaltetem Gleichrichter und Schrittschaltwerk zum schrittweisen Vermindern des Ladestromes sowie einem Spannungsrelais, das jeweils bei Erreichen der Gasungsspannung die Ladestromstärke herabsetzt, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Schaltuhr (17) aufweist, welche über ein Schaltglied (18) in vorgegebenen Zeitabständen das Schrittschaltwerk (8) auf eine der bereits durchlaufenen Stufen zurückschaltet. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 632 012, 711309, 719 841, 860 083, 869 651; Zeitschrift »Werkstatt und Betrieb«, April 1946, S.15.Claims: 1. Method for automatic multi-stage loading of Accumulator batteries, in which the charging current is reached more than once each time the gassing voltage in stages by a voltage-dependent switching arrangement, which acts on a step switch, is reduced, characterized in that a or several switch positions of the step switch, controlled by a time switch mechanism, be run through more than once. 2. The method according to claim 1, characterized in that the switching mechanism one or more times on one of the preceding Switch positions, preferably the first switch position, is switched back, as soon as a specified time has elapsed. 3. The method according to claim 1, characterized characterized in that the switching mechanism is set to one of the preceding switching positions, preferably the first switch position, is switched back if in a stage between the first and last switching stage the gassing voltage within a given time is not reached. 4. The method according to claim 2 or 3, characterized characterized in that the charging current in the last switching stage when the gassing voltage is reached is switched off or that there is a reloading period limited in time by a clockwork connects. 5. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the Total charging time is limited in time by a timer mechanism. 6. Charger for Implementation of the method according to claim 2 or 3 with a transformer with a downstream Rectifier and stepping mechanism for gradually reducing the charging current as well as a voltage relay that sets the charging current when the gassing voltage is reached lowers, characterized in that it has a timer (17) which the stepping mechanism (8) via a switching element (18) at predetermined time intervals switches back to one of the levels already passed. Considered publications: German Patent Nos. 632 012, 711309, 719 841, 860 083, 869 651; magazine "Workshop and Factory", April 1946, p.15.