Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden
einer Sekundärbatterie
gemäß des Oberbegriffs
der Verfahrensansprüche
1, 2, 3 bzw. der Vorrichtungsansprüche 9, 10, 11. Ein derartiges
Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der
US 5 307 000 A bekannt.
Die
US-PS 3 617 851 beschreibt
ebenfalls ein Batterieladegerät
mit einer Steuerschaltung zur zyklischen Ladung und Entladung als
Funktion der Batteriespannung während
einer Entladung. Hier wird beschrieben, dass die Ladeperioden verringert werden
können
oder dass die Aus-Perioden verlängert
werden können,
oder dass der durchschnittliche Strom verringert werden kann, um
eine übermäßige Gaserzeugung
oder Erwärmung
oder einen Verlust des Elektrolyts zu vermeiden.
Die
DE-OS 25 24 790 beschreibt
eine Schaltungsanordnung für
ein Batterieladegerät,
bei dem ein erster und ein zweiter Spannungspegel für den Ladungsvorgang
verwendet wird. Die Abtastung der Batteriespannung findet innerhalb
der Lade- als auch Entladeperioden statt.
Die
DE-OS 19 26 917 beschreibt
eine Schalteinrichtung zum Aufladen von Batterien, bei der der Ladestrom
wieder eingeschaltet wird, wenn die Batteriespannung unter eine
Bezugsspannung abfällt, wobei
eine Einrichtung den Zustand der Aufladung der Batterie über das "Ein"-"Aus"-Schaltverhältnis des
Ladestroms abtastet.
Die
US 52 68 630 A beschreibt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verändern der Abtastrate eines
Schnelllade-Batterieladegeräts. Hier
wird dann, wenn die Erhöhungsrate
in der Batteriespannung relativ hoch ist, die effektive Abtastrate
verringert, indem Abtastpunkte genommen werden, die zeitlich enger
beieinander liegen.
Das
US-Patent
US 5 172 044
A beschreibt ein Ladeverfahren, welches sich auf eine Sekundärbatterie
bezieht. Bei diesem Verfahren wird die Sekundärbatterie zunächst mit
einem konstanten Strom geladen, bis die Klemmenspannung der sekundären Batterie
einen vorgegebenen Spannungswert erreicht. Danach wird die Sekundärbatterie
mit einer konstanten Spannung eines vorgegebenen Spannungswertes
geladen, um zu verhindern, daß die Batterie
durch eine Überspannung überladen
wird. Um die Ladezeit zu reduzieren, kann ein größerer Stromwert während des
Konstantstrom-Ladeintervalls
gewählt
werden. Allerdings sollte der Ladestrom auf einen Stromwert beschränkt werden,
die der Ladeeigenschaften der sekundären Batterie nicht übermäßig verschlechtert.
Die
japanische Offenlegungsschrift Nr. HEI 2-119539 (JP 2-119539A),
veröffentlicht
am 07. Mai 1990, beschreibt ebenfalls ein Ladeverfahren, bei dem
eine Sekundärbatterie
mit einem Konstantstrom geladen wird, bis die Klemmenspannung der
sekundären
Batterie einen ersten vorgegebenen Spannungswert erreicht.
Allerdings
wird die Sekundärbatterie
dann mit einem zweiten vorgegebenen konstanten Spannungswert geladen,
der kleiner als der erste vorgegebene Spannungswert ist. Bei diesem
Verfahren kann ein Laden der sekundären Batterie mit einem konstanten
Strom auf den höheren
ersten vorgegebenen Spannungswert eine Ladezeit reduzieren. Wenn
jedoch der erste vorgegebene Spannungswert übermäßig hoch eingestellt wird,
können
die Ladeeigenschaften der sekundären
Batterie exzessiv verschlechtert werden.
Um
die obigen Probleme anzugehen, entwickelte einer der Erfinder der
vorliegenden Erfindung ein Ladeverfahren, bei dem, wie in der am
22. April 1994 veröffentlichten
japanischen Offenlegungsschrift Nr. HEI 6-113474 (JP 6-113474A)
beschrieben, ein Ladevorgang alternierend gestartet und gestoppt
wird, um die Batterie mit Impulsen zu laden. Dieses Ladeverfahren
verringert die Ladezeit ohne eine übermäßige Verschlechterung durch Überladen der
sekundären
Batterie zu verursachen. Bei diesem Verfahren wird zu Beginn eines
Ladevorgangs die Sekundärbatterie
zunächst
mit einem konstanten Strom geladen, bis die Klemmenspannung der
sekundären
Batterie einen ersten vorgegebenen Spannungswert erreicht.
Danach
wird die Sekundärbatterie
mit Impulsen bei einer konntanten Spannung des ersten vorgegebenen
Spannungswerts gepulst geladen. Nach dem Impuls-Ladevorgang wird
die Sekundärbatterie mit
einem konstanten Spannungswert eines zweiten vorgegebenen Spannungswerts
geladen, der kleiner als der erste vorgegebene Spannungswert ist.
Bei
diesem Verfahren wird während
des Impuls-Ladevorgangs die Sekundärbatterie mit einem ersten
vorgegebenen Spannungswert geladen, der höher als der zweite vorgegebene
Spannungswert ist. Es wurde festgestellt, daß ein Impuls-Ladevorgang, bei
dem ein Laden alternierend gestartet und gestoppt wird, im Vergleich
mit einem kontinuierlichen Ladevorgang eine durch eine Überladung
verursachte Verschlechterung der sekundären Batterie verringert.
Dieses
Ladeverfahren besitzt die folgenden Nachteile. Bei diesem Ladeverfahren
wird die Sekundärbatterie
zunächst
mit einem konstanten Strom, dann mit Impulsen und schließlich mit
einer konstanten Spannung geladen. Deshalb kann die Ladeschaltung
für dieses
Verfahren kompliziert sein. Zusätzlich wird
die Sekundärbatterie
während
des Impuls-Ladeintervalls
mit einem hohen ersten vorgegebenen Spannungswert für die gleiche
Periode in jedem Impuls geladen. Bei Fortschreiten des Ladevorgangs auf
einen Pegel mit voller Ladung kann ein Ladevorgang für die gleiche
Dauer in jedem Impuls eine Verschlechterung der Ladeeigenschaft
der sekundären Batterie
durch eine Überladung
verursachen.
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren und eine Vorrichtung
bereitzustellen, mit denen eine übermäßige Vergasung,
eine übermäßige Erwärmung und
ein übermäßiger Verlust
des Elektrolyts der Sekundärbatterie
während
eines Ladevorgangs vermieden werden können.
Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Laden einer Sekundärbatterie
gemäß Anspruch
1, 2 oder 3 gelöst.
Ferner wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Laden einer
Sekundärbatterie
gemäß der Ansprüche 9, 10
oder 11 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen
und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die
Erfindung wird nachstehend anhand ihrer Ausführungsformen und unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen eingehend beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 einen Graph, der einen
Zusammenhang zwischen Überladebeträgen und
ihre Auswirkung auf die Zykluslebensdauer einer nicht wässrigen
organischen elektrolytischen, Lithium-Sekundärbatterie zeigt;
2 eine Ladeschaltung einer
Ladeeinrichtung gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
3 ein Flußdiagramm,
welches ein Verfahren zum Laden einer Sekundärbatterie gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 einen Graph der Klemmenspannung der
sekundären
Batterie, die gemäß der ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung geladen wird;
5 einen detaillierten Graph
aus 4, der eine verlängerte Zeitachse
besitzt;
6 ein Flußdiagramm,
welches ein Verfahren zum Laden einer sekundären Batterie gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
7 einen Graph der Klemmenspannung der
sekundären
Batterie, die gemäß der zweiten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung geladen wird;
8 ein Flußdiagramm,
welches ein Verfahren zum Laden einer sekundären Batterie gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
9 einen Graph der Klemmenspannung der
sekundären
Batterie, die gemäß der dritten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung geladen wird;
10 ein Flußdiagramm,
welches ein Verfahren zum Laden einer sekundären Batterie gemäß einer
vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 einen Graph der Klemmenspannung der
sekundären
Batterie, die gemäß der vierten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung geladen wird; und
12 einen ausführlichen
Graph aus 11, der eine
verlängerte
Zeitachse besitzt.
Die
vorliegende Erfindung ist auf eine Ladeeinrichtung gerichtet, die
eine Sekundärbatterie
lädt. Während jeder
Ladeperiode wird die Batterie mit einem Ladestrom, vorzugsweise
einem konstanten Strom, in alternierenden Lade- und Ruheperioden geladen. In Ruheperioden
ist der Ladestrom verringert oder vorzugsweise vollständig gestoppt.
Gemäß einem
Aspekt der Erfindung ist das Laden in einer solchen Weise beschränkt, um
eine durch ein Überladen
verursachte Verschlechterung der Batterie zu verringern oder zu
beseitigen. Ferner kann das verbesserte Ladeverfahren leicht mit
einer relativ einfachen Ladeschaltung durchgeführt werden.
1 zeigt den Zusammenhang
zwischen dem Überladebetrag
und seine Auswirkung auf die Zykluslebensdauer einer nicht wässrigen,
organischen elektrolytischen Lithium-Sekundärbatterie (im folgenden als
eine Lithiumionen-Sekundärbatterie bezeichnet).
Die als "Überladebetrag" auf der vertikalen
Achse dargestellte Größe ist der
Ladebetrag über einen
Voll-Ladepegel hinaus und er wird als ein prozentualer Anteil über einer
Volladung dargestellt. Wenn der Überladebetrag
größer als
5% ist, dann nimmt die Zykluslebensdauer der Lithiumionen-Sekundärbatterie
schnell ab, wie in 1 gezeigt.
Somit nimmt die Qualität
der Lithiumionen-Sekundärbatterie
bei einer Überladung
größer als ein
Pegel von 5% rapide ab. Wenn andererseits der Überladebetrag kleiner als 5%
ist, nimmt die Zykluslebensdauer nicht so schnell ab. Wenn der Überladebetrag
kleiner als 3% ist, existiert nur ein sehr geringer Abfall der Zykluslebensdauer
der Lithiumionen-Sekundärbatterie.
Wenn ferner der Überladebetrag
innerhalb von 1% ist, besteht im wesentlichen kein Abfall der Zykluslebensdauer
der Lithiumionen-Sekundärbatterie.
Deshalb
wird gemäß einer
Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zur Reduzierung oder Beseitigung einer durch
eine Überladung
verursachten Verschlechterung der Lithiumionen-Sekundärbatterie der an die Batterie
während
einer Ladeperiode gelieferte Ladebetrag auf einen Bereich innerhalb von
5% von dem Volladebetrag beschränkt.
Vorzugsweise wird der Ladebetrag während einer Ladeperiode auf
innerhalb 3% eingestellt. Vorzugsweise wird der Ladebetrag während der
Ladeperiode auf innerhalb 1% eingestellt.
Wenn
Sekundärbatterien
irgendeines Typs überladen
werden, verschlechtern sich gewöhnlicherweise
die Eigenschaften der Sekundärbatterien. Beispielsweise
wird die Zykluslebensdauer der Sekundärbatterie typischerweise durch
eine Überladung
herabgesetzt. Eine Lithiumionen-Sekundärbatterie ist insbesondere
anfällig
für eine
Schwächung als
Ergebnis einer übermäßigen Ladung.
In den folgenden Ausführungsformen
wird als die Sekundärbatterie
eine Lithiumionen-Sekundärbatterie
verwendet. Allerdings ist die vorliegende Erfindung auf andere Arten
von Sekundärbatterien
genauso anwendbar.
2 zeigt eine Ladeschaltung
einer Ladeeinrichtung. Die Ladeeinrichtung lädt eine Batteriesäule 3,
die zwei in Reihe geschaltete Sekundärbatterien B enthält. In einer
bevorzugten Ausführungsform
umfassen die Sekundärbatterien
B Lithiumionen-Sekundärbatterien.
Die
Ladeeinrichtung umfaßt
eine Gleichstrom-Energiequelle 1, ein Schaltelement SW1
und eine Steuereinrichtung 2. Die Gleichstrom-Energiequelle 1 wandelt
den Netzwechselstrom (z.B. einen Wechselstrom bei 100 Volt) in einen
Gleichstrom um, der eine geeignete Spannung zum Laden der Sekundärbatterien
B aufweist. Die Gleichstrom-Energiequelle 1 stellt ferner
einen vorgegebenen konstanten Strom (z.B. einen konstanten Strom
von ungefähr
3 C) bereit.
Das
Schaltelement SW1 umfaßt
ein Halbleiterschaltelement, beispielsweise einen Transistor oder
einen FET. Wenn das Schaltelement SW1 EIN-geschaltet ist, dann lädt die Einrichtung
die Sekundärbatterien
B mit einem konstanten Strom. Wenn andererseits das Schaltelement
SW1 AUS-geschaltet ist, dann stoppt die Einrichtung den Ladevorgang.
Die
Steuereinrichtung 2 schaltet wiederholt das Schaltelement
SW1 ein und aus, um der Einrichtung zu ermöglichen, die Batterien in alternierenden Lade-
und bzw. Ruheperioden zu laden. Die Batteriesäule 3 umfaßt eine Überladungsschutzschaltung 4, die
das Überladen
der Sekundärbatterien
B verringert oder beseitigt, indem die Klemmenspannung der Sekundärbatterien
B überwacht
wird. Die Überladungsschutzschaltung 4 umfaßt einen
Differenzverstärker 5,
eine Referenzspannung E (z.B. 9,0 V), einen MOSFET, eine Konstantstromquelle 6,
und einen Inverter 7. Der Differenzverstärker 5 vergleicht
die Quellenspannung der Sekundärbatterien
B mit einer Referenzspannung E. Der Ausgang des Differenzverstärkers 5 schaltet
den MOSFET ein und aus. Parallel zu dem MOSFET ist ein Kondensator
C geschaltet. Die Konstantstromquelle 6 versorgt den Kondensator
C und den MOSFET mit einem konstanten Strom. Der Inverter 7 invertiert
die Klemmenspannung des Kondensators C. Der Ausgang des Inverters 7 schaltet
das Schaltelement SW1 ein und aus.
Die Überladungsschutzschaltung 4 arbeitet in
der folgenden Weise. Wenn die Klemmenspannung der Sekundärbatterien
B kleiner als die Referenzspannung E ist, dann ist der Ausgang des
Differenzverstärkers 5 hoch
und der MOSFET wird eingeschaltet, wobei der Kondensator C kurzgeschlossen wird.
Dann wird die Klemmenspannung des Kondensators C im wesentlichen
0 V, was den Inverter 7 veranlaßt, ein hohes Signal auszugeben,
welches das Schaltelement SW1 eingeschaltet hält, wobei die Fortsetzung eines
Ladevorgangs zugelassen wird.
Wenn
die Klemmenspannung der Sekundärbatterien
B andererseits höher
als die Referenzspannung E (z.B. 9 V) ist, dann ist der Ausgang
des Differenzverstärkers 5 niedrig
und der MOSFET wird ausgeschaltet. Infolgedessen wird der Kondensator
C durch die Konstantstromquelle 6 so geladen, daß die Klemmenspannung
des Kondensators C allmählich ansteigt.
Wenn die Klemmenspannung des Kondensators C die vorgegebene Schwellspannung
des Inverters 7 erreicht, dann gibt der Inverter 7 ein
niedriges Signal aus, welches das Schaltelement SW1 ausschaltet.
In dieser Ausführungsform
erreicht die Klemmenspannung des Kondensators C den vorgegebenen
Schwellspannungswert 60 ms, nachdem der MOSFET ausgeschaltet wird.
Somit gibt der Inverter 7 60 ms nach Ausschalten des MOSFET
ein niedriges Signal aus, welches das Schaltelement SW1 ausschaltet,
um die Ladeperiode zu beenden.
Der
Zeitbetrag, den die Klemmenspannung des Kondensators C benötigt, um
die vorgegebenen Schwellspannung zu erreichen, ist eine Funktion
des Stromwerts der Konstantstromquelle 6 und der Kapazität des Kondensators
C. Durch Verändern
dieser Werte kann die Verzögerung
zwischen der Zustandsänderung
des MOSFET und dem nachfolgenden Ausschalten des Schalters SW1 leicht
eingestellt werden.
Aus
der voranstehenden Beschreibung entnimmt man, daß, wenn die Klemmenspannung
der Sekundärbatterie
B die Referenzspannung E für mehr
als 60 ms übersteigt,
das Schaltelement SW1 zum Beenden eines Ladevorgangs ausschaltet.
In dieser Weise verhindert die Überladungsschutzschaltung 4,
daß die
Sekundärbatterien
B überladen werden.
Eine derartige Überladung
kann beispielsweise auftreten, wenn eine Fehlfunktion der Konstantquelle 1 oder
der Steuerschaltung 2 existiert. Es sei darauf hingewiesen,
daß, wenn
die Klemmenspannung der Sekundärbatterien
B die Referenzspannung E übersteigt,
aber unter die Spannung E innerhalb der Periode von 60 msek. fällt, das
Schaltelement SW1 eingeschaltet bleibt, um den Ladevorgang fortzusetzen.
In
der voranstehend beschriebenen Überladungsschutzschaltung 4 ist
die Klemmenspannung der Sekundärbatterien
B, die abgetastet wird, die in Reihe geschaltete Spannung. In einer
alternativen Ausführungsform
kann die Ladungsschutzschaltung 4 die Klemmenspannung von
jeder der Sekundärbatterien
B individuell abtasten. Wenn dann die Klemmenspannung irgendeiner
der Sekundärbatterien
B die bestimmte Referenzspannung länger als die vorgegebenen Zeitperiode übersteigt,
dann kann die Schaltung 4 das Schaltelement SW1 zum Beenden des
Ladevorgangs ausschalten.
Das
Ladeverfahren gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Steuereinrichtung 2 wird nachstehend unter Bezugnahme
auf ein in 3 gezeigtes Flußdiagramm
beschrieben. 4 zeigt
einen Graph der Klemmenspannung der Lithiumionen-Batterie in dieser
Ausführungsform. 5 zeigt eine ausführliche
Ansicht des Graphen aus 4,
wobei die Zeitachse erweitert ist.
In
dieser ersten Ausführungsform
lädt die
Ladeeinrichtung die Sekundärbatterie
mit einem konstanten Strom in alternierenden Ladeperioden und Ruheperioden,
in denen der Ladevorgang gestoppt ist.
In
einem Aspekt der Erfindung ist der Ladebetrag, der an die Batterie
während
jeder Ladeperiode gefolgt von einer Ruheperiode geliefert wird,
auf einen Betrag beschränkt,
der keine Verschlechterung der Sekundärbatterie verursacht, wenn
sie sich einem Voll-Ladepegel annähert.
Hinsichtlich
des Ladebetrags, der keine Verschlechterung der Sekundärbatterie
in der Nähe
des Voll-Ladepegels verursacht, wenn eine Lithiumionen-Sekundärbatterie
verwendet wird, ist der Ladebetrag während jeder Ladeperiode vorzugsweise
auf 5% der Volladekapazität
gemäß der obigen 1 beschränkt. Insbesondere sollte der
Ladebetrag während
jeder Ladeperiode 3% nicht übersteigen.
Weiter vorzugsweise sollte der Ladebetrag während jeder Ladeperiode innerhalb
von 1% liegen. Wenn die Lithiumionen-Sekundärbatterie beispielsweise eine
Volladekapazität
von 1000 mAh aufweist, ist 5% dieses Volladebetrags von 1000 mAh
gleich 50 mAh.
Wenn
der Ladestrom 2 A beträgt,
wird deshalb beispielsweise jede Ladeperiode vorzugsweise auf 90
Sek. (= 25 mh) eingestellt. Wenn der Ladebetrag während jeder
Ladeperiode auf 1% der Volladekapazität von 1000 mAh eingestellt
wird, ist alternativ die Dauer jeder Ladeperiode 18 Sek. (= 5 mh).
Nachdem
die Einrichtung den Prozess startet, tastet die Steuereinrichtung 2,
wie im Flußdiagramm
aus 3 gezeigt, die Klemmenspannung (Vst)
der Sekundärbatterien
B für den
gestoppten Ladevorgang während
der Ruheperioden ab, in denen ein Ladevorgang gestoppt ist. Im Schritt 2 wird
bestimmt, ob die abgetastete Klemmenspannung (Vst) für den gestoppten
Ladevorgang kleiner als ein vorgegebener erster Spannungswert Y
(z.B. 8,4 V) ist.
Wenn
die abgetastete Klemmenspannung (Vst) für gestopptes Laden kleiner
als der vorgegebene Spannungswert (Y) ist, dann schaltet die Steuereinrichtung 2 das
Schaltelement SW1 im Schritt 3 wieder ein, um das Laden
wiederaufzunehmen. Im Schritt 4 startet die Steuereinrichtung 2 einen
Zeitnehmer, um eine vorgegebene Ladeperiode (Tch) (z.B. 1,5 msek.)
zu messen. Der Ladezeitnehmer ist in der Steuereinrichtung 2 untergebracht.
Dann wird im Schritt 4 bestimmt, ob die vorgegebene Ladeperiode
Tch abgelaufen ist oder nicht.
Wenn
die vorgegebene Ladeperiode (Tch) noch nicht abgelaufen ist, fährt die
Steuereinrichtung 2 fort, die Sekundärbatterien B zu laden. Sobald
die vorgegebene Ladeperiode (Tch) abgelaufen ist, schaltet die Steuereinrichtung 2 das
Schaltelement SW1 im Schritt 5 aus, um den Ladevorgang
zu unterbrechen.
Im
Schritt 6 startet die Steuereinrichtung 2 einen
Ruheperioden-Zeitnehmer zum Messen einer vorgegebenen Ruheperiode
(Tre) (z.B. 1,5 msek.). Der Ruheperioden- Zeitnehmer ist in der Steuereinrichtung 2 untergebracht.
Dann wird im Schritt 6 bestimmt, ob die vorgegebene Ruheperiode
(Tre) abgelaufen ist oder nicht. Wenn die vorgegebene Ruheperiode
(Tre) noch nicht abgelaufen ist, dann fährt die Steuereinrichtung 2 fort,
das Schaltelement SW1 in dem AUS-Zustand
zu halten.
Sobald
die Ruheperiode abläuft,
wiederholt der Prozess die Schritte 1 bis 6. Wenn
dann im Schritt 2 bestimmt wird, daß die abgetastete Klemmenspannung
(Vst) für
gestopptes Laden gleich oder größer als
der vorgegebene Spannungswert (Y) ist, dann wird ein Zähler im
Schritt 7 inkrementiert. Im Schritt 8 wird bestimmt,
ob die Anzahl der Ereignisse, bei denen die abgetastete Spannung
(Vst) für
gestopptes Laden die vorgegebene Spannung (Y) überschritten hat, (dargestellt
durch den Zählwert
im Schritt 7) gleich oder größer als eine vorgegebene Anzahl
(A) ist (z.B. 3 mal). Wenn der Zählwert
im Schritt 8 kleiner als die darauffolgende vorgegebene
Anzahl (A) ist, dann springt der Prozess zum Schritt 1 zurück, um die
Klemmenspannung (Vst) für
gestopptes Laden wieder abzutasten. Wenn andererseits der Zählwert im
Schritt 8 gleich oder größer als die darauffolgende vorgegebene
Anzahl (A) ist, dann ist der Ladevorgang abgeschlossen.
In
einer alternativen Ausführungsform
können
die Schritte 7 bis 8 weggelassen werden. Nachdem
die abgetastete Stopp-Klemmenspannung
(Vst) im Schritt 1 gleich oder größer wie der vorgegebene Spannungswert
(Y) ist, kann angenommen werden, daß der Ladevorgang abgeschlossen
ist.
In
dem Prozess der ersten Ausführungsform tastet
die Steuereinrichtung die gestoppte Klemmenspannung (Vst) der Sekundärbatterien
B ab, während
ein Ladevorgang gestoppt ist.
Wenn
die Klemmenspannung überwacht wird,
während
der Ladevorgang vor sich geht, ist die überwachte Klemmenspannung gewöhnlicherweise viel
größer als
die gestoppte Klemmenspannung (Vst). Dieser Unterschied ist gewöhnlicherweise
ein Ergebnis eines durch einen Kontaktwiderstand oder durch einen
Innenwiderstand in den Sekundärbatterien
B verursachten Spannungsabfalls, wie in den 4 und 5 gezeigt.
Deshalb stellt die gestoppte Klemmenspannung (Vst) eine gute Anzeige
des Ladungspegels der Sekundärbatterien
B bereit.
Eine
kürzere
Ladeperiode kann effektiv die Verschlechterung der Sekundärbatterie
verringern. Allerdings können
Schaltungskomponenten, die eine extrem viel kürzere Ladeperiode in der Steuereinrichtung 2 ermöglichen
und das Schaltelement SW1 viel teuerer sein.
Wie
in 5 gezeigt, stabilisiert
sich die Klemmenspannung der Lithiumionen-Sekundärbatterie typischerweise um
ungefähr
0,5 ms, nachdem das Schaltelement SW1 ein- oder ausgeschaltet ist. Deshalb
ist die Zeitlänge
einer Ladeperiode vorzugsweise so eingestellt, daß sie 1
ms übersteigt.
Ein
Ladeverfahren gemäß einer
zweiten dargestellten Ausführungsform
wird nachstehend unter Bezugnahme auf ein 6 gezeigtes Flußdiagramm beschrieben. 7 zeigt einen Graphen der
Klemmenspannung der Lithiumionen-Batterie, wenn sie gemäß dieser
Ausführungsform
geladen wird.
In
der zweiten Ausführungsform
lädt die
Ladeeinrichtung die Sekundärbatterie
in alternierenden Ladeperioden (mit einer ersten Dauer Tch(n)) und Ruheperioden
(Tre) konstanter Länge.
Die
Ladeeinrichtung tastet die Ladeklemmenspannung (Vch) der Sekundärbatterie
ab, während
die Batterie geladen wird. Dann vergleicht die Ladeeinrichtung die
abgetastete Ladeklemmenspannung (Vch) mit einem vorgegebenen hohen
Spannungswert (Vhi).
Nachdem
die abgetastete Ladeklemmenspannung (Vch) den vorgegebenen hohen
Spannungswert (Vhi) erreicht oder übersteigt, lädt die Ladeeinrichtung
die Sekundärbatterie
in alternierenden Lade- und Ruheperioden, in denen die Ladeperioden eine
kürzere
Dauer (Tch(n+1)) als die vorangehenden Ladeperioden (Tch(n)) aufweisen.
Jedoch bleibt die Dauer (Tre) der Ruheperiode konstant.
Wenn
eine abgetastete Ladeklemmenspannung (Vch) dem vorgegebenen hohen
Spannungswert (Vhi) gleicht oder diesen übersteigt, nähert sich der
Ladevorgang dem Voll-Ladepegel an. Nachdem die abgetastete Ladeklemmenspannung
dem vorgegebenen hohen Spannungswert (Vhi) gleicht oder diesen übersteigt,
lädt die
Ladeeinrichtung deshalb die Sekundärbatterie in alternierenden
Lade- und Ruheperioden, in denen die Ladeperioden kürzer als
die vorangehenden Ladeperioden sind, um die Verschlechterung der
Sekundärbatterie
durch einen Überladevorgang
zu verringern.
Deshalb
ist der Ladebetrag während
jeder Ladeperiode gefolgt von einer Ruheperiode in der Nähe des Voll-Ladepegels
auf einen Betrag beschränkt,
der keine Verschlechterung der Sekundärbatterie verursacht.
Nachdem
die Einrichtung den Prozess startet, initialisiert die Steuereinrichtung 2 die
Anzahl (n) in den Ladeperioden (Tch(n)) auf 0 im Schritt 1,
wie im Flußdiagramm
aus 6 gezeigt. Die Anzahl
(n) stellt die Anzahl von Malen dar, in denen die Ladeklemmenspannung
der Sekundärbatterie
B den vorgegebenen hohen Spannungswert (Vhi) erreicht. Dann berechnet
die Steuereinrichtung 2 die Ladeperioden (Tch(n)) gemäß der folgenden
Gleichung (1). Tch)n)
= 50 ms – (5
ms X n) (1)
Wenn
die Anzahl (n) in der Gleichung (1) Null ist, dann wird die Ladeperiode
(Tch(0)) auf 50 ms eingestellt (in einer alternativen Ausführungsform
können
die Ladeperioden (Tch(n)) gemäß anderer
Verfahren berechnet werden, beispielsweise gemäß der Gleichung (Tch(n) = Tch
(0)/n).
Im
Schritt 2 tastet die Steuereinrichtung 2 die gestoppte
Klemmenspannung (Vst) der Sekundärbatterien
B ab, während
ein Ladevorgang gestoppt ist. Im Schritt 3 wird bestimmt,
ob die abgetastete gestoppte Klemmenspannung (Vst) dem vorgegebenen niedrigen
Spannungswert (Vlo) (z.B. 8,4 V) gleicht oder diesen übersteigt.
Wenn
die abgetastete gestoppte Klemmenspannung (Vst) kleiner als der
vorgegebene niedrige Spannungswert (Vlo) ist, dann schaltet die
Steuereinrichtung 2 das Schaltelement SW1 im Schritt 4 ein,
so daß die
Sekundärbatterien
B mit einem konstanten Strom von 3 C geladen werden (das Zeichen "C" bezeichnet die nominelle Kapazität der Sekundärbatterie.
Wenn die Sekundärbatterie
eine nominelle Kapazität
von 1000 mAh besitzt, dann ist ein Ladestrom von 3 C gleich 3 A).
Im
Schritt 5 wird bestimmt, ob die Ladeperioden (Tch(n)) abgelaufen
sind oder nicht. Nachdem die Ladeperiode (Tch(n)) abgelaufen ist,
tastet die Steuereinrichtung 2 die Ladeklemmenspannung (Vch)
der Sekundärbatterien
B ab, während
sie im Schritt 6 geladen werden.
Im
Schritt 7 wird dann bestimmt, ob die abgetastete Ladeklemmenspannung
(Vch) dem vorgegebenen hohen Spannungswert (Vhi) (z.B. 9,0 V) gleicht
oder größer als
dieser ist. Wenn die abgetasetete Ladeklemmenspannung (Vch) kleiner
als der vorgegebene hohe Spannungswert (Vhi) ist, dann schaltet
die Steuereinrichtung 2 das Schaltelement SW1 für die Ruheperiode
(Tre) aus und dann tastet sie (im Schritt 2) wieder die
Klemmenstoppspannung (Vst) ab. In dieser Ausführungsform sind die Ruheperioden
(Tre) konstant, beispielsweise 10 msek.
Wenn
andererseits im Schritt 7 bestimmt wird, daß die abgetastete
Ladeklemmenspannung (Vch) gleich oder größer als der vorgegebene hohe Spannungswert
(Vhi) ist, dann wird die Anzahl (n) um Eins inkrementiert. Die Steuereinrichtung 2 berechnet
die Ladeperioden (Tch(n+1)) gemäß der obigen Gleichung
(1), so daß die
Ladeperioden (Tch(n+1)) jeweils 5 msek. kürzer als die vorausgehenden
Ladeperioden (Tch(n) sind.
Im
Schritt 9 wird bestimmt, ob die gegenwärtigen Ladeperioden (Tch(n))
gleich oder kleiner als Null sind. Wenn die Ladeperioden (Tch(n))
größer als Null
sind, dann schaltet die Steuereinrichtung 2 (im Schritt 10)
das Schaltelement 2 aus, um eine Ruheperiode zu initiieren
und der Prozess kehrt zum Schritt 2 zurück. Wenn die Ladeperioden (Tch(n)) gleich
oder kleiner als Null sind, dann ist der Ladevorgang beendet.
Wenn
(im Schritt 3) bestimmt wird, daß die abgetastete gestoppte
Klemmenspannung (Vst) gleich oder größer als der vorgegebene niedrige Spannungswert
(Vlo) ist, wird im Schritt (11) ein Zählwert inkrementiert. Im Schritt 12 wird
bestimmt, ob die abgetastete gestoppte Klemmenspannung (Vst) aufeinanderfolgend
eine vorgegebene Anzahl von Malen (A) (z.B. 3 mal) gleich wie der
vorgegebene niedrige Spannungswert (Vlo) war oder diesen überschritten
hat (wie durch den Zählwert
im Schritt 11 dargestellt). Wenn der Zählwert im Schritt 11 kleiner als
die vorgegebene Anzahl (A) ist, dann kehrt der Prozess zum Schritt 2 zurück, um die
gestoppten Klemmenspannung (Vst) wieder abzutasten. Wenn andererseits
der Zählwert
im Schritt 11 gleich oder größer als die vorgegebene Anzahl
(A) ist, was anzeigt, daß die
abgetastete gestoppte Klemmenspannung (Vst) aufeinanderfolgend A-mal
gleich oder größer wie
der vorgegebene niedrige Spannungswert (Vlo) gewesen ist, dann ist
der Ladevorgang beendet (Schritt ENDE).
Kurz
zusammengefaßt
lädt die
Steuereinrichtung 2 die Sekundärbatterien B während der Schritte 1 bis 10 mit
einem konstanten Strom 3 C in alternierenden Ladeperioden (Tch(n))
und konstanten Ruheperioden (Tre), bis die Ladeklemmenspannung (Vch)
den vorgegebenen hohen Spannungswert (Vhi) erreicht. Jedesmal wenn
die Ladeklemmenspannung (Vch) den vorgegebenen hohen Spannungswert
(Vhi) erreicht, reduziert die Steuereinrichtung 2 jede
Ladeperiode im Vergleich zu den vorangehenden Ladeperioden um 5
msek. Die Ruheperioden (Tre) bleiben konstant.
Als
nächstes
wird im Zusammenhang mit dem in 7 gezeigten
Graph der Klemmenspannung dieser Prozess erläutert. Nachdem die Ladeeinrichtung
den Prozess startet, lädt
die Steuereinrichtung 2 die Sekundärbatterien B mit einem konstanten
Strom 3 C in alternierenden Ladeperioden (Tch(0):50 msek.) und konstanten
Ruheperioden (Tre:10 msek.), bis die Ladeklemmenspannung (Vch) den
vorgegebenen hohen Spannungswert (Vhi) erreicht.
Nachdem
die Ladeklemmenspannung (Vch) den vorgegebenen hohen Spannungswert
(vhi) zum ersten Mal erreicht, reduziert die Steuereinrichtung 2 jede
Ladeperiode (Tch(1)) auf 45 msek., was 5 msek. kürzer als die vorangehende Ladeperiode
(Tch(0) ist. Jedesmal wenn die Ladeklemmenspannung (Vch) danach
den vorgegebenen hohen Spannungswert (Vhi) erreicht, reduziert die
Steuereinrichtung 2 die Ladeperioden um 5 msek.
Ferner
tastet die Steuereinrichtung 2 die gestoppte Klemmenspannung
(Vst) der Sekundärbatterie
B während
jeder Ruheperiode ab und vergleicht die abgetastete gestoppte Klemmenspannung
(Vst) mit dem vorgegebenen niedrigen Spannungswert (Vlo), der kleiner
als der vorgegebene hohe Spannungswert (Vhi) ist. Wenn die abgetastete
gestoppte Klemmenspannung (Vst) dem vorgegebenen niedrigen Spannungswert
(Vlo) aufeinanderfolgend eine Anzahl von Malen, wie durch eine vorgegebene
Anzahl (A) dargestellt, gleicht oder diesen Wert überschreitet,
befindet sich die Batterie auf dem Voll-Ladepegel und ein Ladevorgang
ist abgeschlossen.
Zu
Beginn jeder Ladeperiode ist die Klemmenspannung der Sekundärbatterien
B in 7 kleiner dargestellt
als am Ende der vorangehenden Ladeperiode. Der Grund hierfür liegt
darin, daß sich während der
Ruheperioden chemische Reaktionen in der Sekundärbatterie stabilisieren, wobei
die Klemmenspannung reduziert wird.
Wie
voranstehend im Zusammenhang mit der zweiten Ausführungsform
beschrieben, werden die Dauern der Ladeperioden im Vergleich mit
den vorangehenden Ladeperioden reduziert, jedesmal wenn die Ladeklemmenspannung
(Vch) den vorgegebenen hohen Spannungswert erreicht oder diesen überschreitet.
Allerdings können
die Ladeperioden in einer alternativen Ausführungsform auf einen konstanten
Wert (z.B. 50 msek.) eingestellt werden. Jedesmal, nachdem die Klemmenspannung
(Vch) den vorgegebenen Spannungswert erreicht oder diesen überschreitet,
können
dann die Ruheperioden (Tre(n)) gemäß der folgenden Gleichung (2)
verlängert
werden. Tre(n) =
10 ms + (10 ms X n) (2)
Die
verlängerten
Ruheperioden (Tre(n)) gemäß der Gleichung
(2) können
eine Verschlechterung der Sekundärbatterie,
verursacht durch ein Überladen
bei der Annäherung
an den Voll-Ladungspegel reduzieren oder beseitigen.
Als
eine weitere alternative Ausführungsform kann
ein Temperatursensor eingebaut werden, um die Temperatur der Sekundärbatterien
B zu erfassen oder zu detektieren. Wenn die Temperatur der Sekundärbatterien
B ansteigt, dann können
beispielsweise die Ladeperioden (Tch(n)) gemäß der Gleichung (1) verringert
werden, oder gemäß Gleichung (2)
können
beispielsweise die Ruheperioden (Tre(n)) vergrößert werden, und zwar weiter
modifiziert durch eine Temperaturkomponente. Beispielsweise können die
Ladeperioden (Tch(n)) gemäß der folgende
Gleichung (3) eingestellt werden. Tch(n) = 50 ms – (5 ms X n) – Ak (3) wobei K die
Temperatur darstellt und A eine Konstante ist. Wenn der Temperatursensor
erfaßt,
daß die Batterietemperatur
größer als
60°C ist,
dann kann die Steuereinrichtung 2 zusätzlich zum Stoppen des Ladevorgangs
das Schaltelement SW1 ausschalten. In einer noch anderen alternativen
Ausführungsform kann
der vorgegebene hohe Spannungswert (Vhi) auf einen kleineren Wert
eingestellt werden, wenn die Temperatur der Sekundärbatterien
B ansteigt, um die durch eine Überladung
verursachte Verschlechterung der Sekundärbatterien B zu verringern.
Ein
Ladeverfahren gemäß einer
dritten dargestellten Ausführungsform
wird nachstehend unter Bezugnahme auf in 8 gezeigtes Flußdiagramm beschrieben. 9 zeigt einen Graphen einer
Klemmenspannung der Lithiumionen-Batterie,
wenn sie in dieser Ausführungsform
geladen wird.
In
dieser dritten dargestellten Ausführungsform lädt die Ladeeinrichtung
die Sekundärbatterie mit
einem variablen Ladestrom (I(n)) in alternierenden konstanten Ladeperioden
(Tch) und konstanten Ruheperioden (Tre). Die Ladeeinrichtung tastet
eine Ladeklemmenspannung (Vch) der Sekundärbatterie während jeder Ladeperiode ab
und vergleicht die abgetastete Ladeklemmenspannung (Vch) mit einem vorgegebenen
hohen Spannungswert (Vhi).
Wenn
die abgetastete Klemmenspannung einen vorgegebenen hohen Spannungswert
(Vhi) erreicht oder überschreitet,
dann lädt
die Ladeeinrichtung die Sekundärbatterie
mit einem kleineren konstanten Strom (I(n+1)) als der vorangehende
konstante Strom (I(n)) der vorhergehenden Ladeperioden (Tch). Wenn
die abgetastete Ladeklemmenspannung (Vch) den vorgegebenen hohen
Spannungswert (Vhi) erreicht oder überschreitet, dann nähert sich
der Ladevorgang gerade dem Voll-Ladepegel der Batterie an. Nachdem
die abgetastete Ladeklemmenspannung (Vch) den vorgegebenen hohen Spannungswert
(Vhi) erreicht oder überschreitet,
lädt deshalb
die Ladeeinrichtung die Sekundärbatterie mit
einem kleineren konstanten Strom als der vorangehende konstante
Strom, um die durch eine Überladung
verursachte Verschlechterung der Sekundärbatterie zu verringern oder
zu beseitigen. Deshalb ist der Ladebetrag während einer einzelnen Ladeperiode,
gefolgt von einer Ruheperiode in der Nähe des Voll-Ladepegels auf
einen Betrag beschränkt,
der eine Verschlechterung der Zykluslebensdauer der Sekundärbatterie
verringert oder beseitigt.
Nachdem
die Einrichtung den Prozess startet, initialisiert die Steuereinrichtung 2 die
Anzahl (n) des konstanten Ladestroms (I(n)) auf Null, wie im Schritt 1 im
Flußdiagramm
aus 8 gezeigt.
Die
Anzahl (n) repräsentiert
die Anzahl von Ereignissen, zu denen die Ladeklemmenspannung (Vch)
der Sekundärbatterien
B den vorgegebenen hohen Spannungswert (Vhi) erreicht hat.
Zusätzlich berechnet
die Steuereinrichtung 2 den Ladestrom gemäß der folgenden
Gleichung (4). I(n)
= 3 C – (1
C X n) (4)
Wenn
die Anzahl (n) Null ist, wird somit der Ladestrom (I(0)) auf 3 C
gesetzt.
Im
Schritt 2 tastet die Steuereinrichtung 2 die gestoppte
Klemmenspannung (Vst) der Sekundärbatterien
B während
einer Ruheperiode ab. Im Schritt 3 wird bestimmt, ob die abgetastete
gestoppte Klemmenspannung (Vst) den vorgegebenen niedrigen Spannungswert
(Vlo) (z.B. 8,4 V) erreicht oder überschritten hat.
Wenn
bestimmt wird, daß die
abgetastete gestoppte Klemmenspannung (Vst) kleiner als der vorgegebene
niedrige Spannungswert (Vlo) ist, dann schaltet die Steuereinrichtung 2 das
Schaltelement SW1 im Schritt 4 ein, wobei veranlaßt wird,
daß die Sekundärbatterien
B mit dem anfänglichen
Ladestrom (I(0)) von 3 C geladen werden.
Im
Schritt 5 wird bestimmt, ob die konstante vorgegebene Ladeperiode
(Tch: z.B. 50 ms) abgelaufen ist. Sobald die Ladeperiode (Tch) abgelaufen
ist, tastet die Steuereinrichtung 2 (Schritt 6)
die Ladeklemmenspannung (Vch) der Sekundärbatterien B während eines
Ladevorgangs ab.
Im
Schritt 7 wird bestimmt, ob die abgetastete Ladeklemmenspannung
(Vch) den vorgegebenen hohen Spannungswert (Vhi) (z.B. 9,0 V) erreicht
oder überschritten
hat. Wenn die abgetastete Ladeklemmenspannung (Vch) kleiner als
der vorgegebene hohe Spannungswert (Vhi) ist, schaltet die Steuereinrichtung 2 (Schritt 10)
das Schaltelement SW1 für
die Ruheperiode (Tre) aus und der Prozess kehrt zum Abtasten der
gestoppten Klemmenspannung zurück (Schritt 2).
In dieser Ausführungsform
ist die Ruheperiode (Tst) des Schaltelements SW1 eine Konstante von
10 ms.
Wenn
andererseits im Schritt 7 bestimmt wird, daß die abgetastete
Ladeklemmenspannung (Vch) den vorgegebenen hohen Spannungswert (Vhi)
erreicht oder überschritten
hat, dann wird die Anzahl (n) um Eins erhöht. Dann reduziert die Steuereinrichtung 2 den
Ladestrom gemäß der voranstehenden Gleichung
(4), so daß der
gegenwärtige
Ladestrom (I(n+1)) um 2 C verringert wird, also auf einen Pegel,
der 1 C kleiner als der Pegel von 3 C des vorangehenden Ladestroms
(I(n)) ist.
Im
Schritt 9 wird bestimmt, ob der gegenwärtige Ladestrom (I(n)) gleich
oder kleiner als Null ist.
Wenn
der Ladestrom (I(n)) über
Null bleibt, schaltet die Steuereinrichtung 2 (Schritt 10)
das Schaltelement 2 aus und der Prozess kehrt zum Schritt 2 zurück. Wenn
andererseits der berechnete Ladestrom (I(n)) auf einen Pegel verringert
worden ist, der gleich oder kleiner als Null ist, dann geht der Prozess
zum Ende und der Ladevorgang ist abgeschlossen.
Wenn
im Schritt 3 bestimmt wird, daß die abgetastete gestoppte
Klemmenspannung (Vst) den vorgegebenen niedrigen Spannungswert (Vlo)
erreicht oder überschritten
hat, wird ein Zähler
im Schritt 11 inkrementiert. Im Schritt 12 wird
dann bestimmt, ob der Zählwert
im Schritt 11 gleich oder größer wie eine vorgegebene Anzahl
(A) (z.B. 3 mal) ist. Wenn der Zählwert
im Schritt 11 kleiner als die vorgegebene Anzahl (A) ist,
dann kehrt der Prozess zum Schritt 2 zurück, um wieder
die gestoppte Klemmenspannung abzutasten. Wenn andererseits der
Zählwert
im Schritt 11 gleich oder größer als die vorgegebene Anzahl
(A) ist, was anzeigt, daß die
abgetastete gestoppte Klemmenspannung die Spannung (Vlo) aufeinanderfolgend
A-mal gleich dem Spannungswert (Vlo) gewesen ist oder überschritten
hat, dann schaltet die Steuereinrichtung 2 das Schaltelement SW1
aus und der Ladevorgang ist abgeschlossen.
Kurz
zusammengefaßt
lädt die
Steuereinrichtung 2 während
der Schritte 1 bis 10 die Sekundärbatterien
B mit einem sequentiell reduzierten Ladestrom (I(n)) in alternierenden
konstanten Ladeperioden (Tch) und konstanten Ruheperioden (Tre),
bis die Ladeklemmenspannung (Vch) den vorgegebenen hohen Spannungswert
(Vhi) erreicht. Jedesmal, nachdem die Ladeklemmenspannung (Vch)
den vorgegebenen hohen Spannungswert (Vhi) erreicht, lädt die Steuereinrichtung 2 die
Sekundärbatterie
B mit einem Ladestrom, der im Vergleich mit dem vorhergehenden Ladestrom
um 1 C verringert ist.
Als
nächstes
wird dieser Prozess im Zusammenhang mit dem in 9 gezeigten Graph der Batterieklemmenspannung
erläutert.
Nachdem die Ladeeinrichtung den Prozess startet, lädt die Steuereinrichtung 2 die
Sekundärbatterien
B mit einem anfänglichen
Ladestrom (I(0)) (z.B. 3 C) in alternierenden konstanten Ladeperioden
(Tch) und konstanten Ruheperioden (Tre), bis die Ladeklemmenspannung (Vch)
einen vorgegebenen hohen Spannungswert (Vhi) erreicht.
Nachdem
die Ladeklemmenspannung (Vch) den vorgegebenen hohen Spannungswert
(Vhi) zum ersten Mal erreicht, lädt
die Steuereinrichtung 2 die Sekundärbatterien B in alternierenden
konstanten Lade- und Ruheperioden mit einem Ladestrom (I(1)) (z.B.
2 C), der im Vergleich zu dem vorangehenden Ladestrom (I(0)) um
1 C verringert ist. Nachdem die Ladeklemmenspannung (Vch) den vorgegebenen hohen
Spannungswert (Vhi) erreicht, dann lädt die Steuereinrichtung 2 die
Sekundärbatterie
B in alternierenden konstanten Lade- und Ruheperioden mit einem
Ladestrom (I(2) (z.B. 1 C), der wiederum im Vergleich mit dem vorangehenden
Ladestrom (I(1)) um 1 C reduziert ist.
Die
Steuereinrichtung 2 tastet während jeder Ruheperiode auch
die stoppende Klemmenspannung (Vst) der Sekundärbatterien B ab und vergleicht die
abgetastete stoppende Klemmenspannung (Vst) mit einem vorgegebenen
niedrigen Spannungswert (Vlo), der kleiner als der vorgegebene hohe
Spannungswert (Vhi) ist. Der Ladevorgang ist abgeschlossen, wenn
die abgetastete stoppende Klemmenspannung (Vst) den vorgegebenen
niedrigen Spannungswert (Vlo) für
eine aufeinanderfolgende vorgegebene Anzahl von Malen (z.B. 3 mal)
erreicht oder überschreitet.
In
einer alternativen Ausführungsform
kann ein Temperatursensor vorgesehen sein, um die Temperatur der
Sekundärbatterien
B zu erfassen. Wenn dann die Temperatur der Sekundärbatterien
B ansteigt, kann der Ladestrom (I(n)) von dem durch Gleichung (4)
berechneten Wert weiter verringert werden, nämlich gemäß der folgenden Gleichung (5). I(n) = 3 C – (1 C X
n) – Dk (5)wobei K die
Temperatur und D eine Konstante ist. Wenn der Temperatursensor erfaßt, daß die Temperatur
der Sekundärbatterien
B beispielsweise 60°C überschritten
hat, kann die Steuereinrichtung 2 zusätzlich das Schaltelement SW1
zum Stoppen des Ladevorgangs ausschalten. In noch einer anderen
alternativen Ausführungsform
kann der vorgegebene hohe Spannungswert (Vhi) auf einen niedrigeren Wert
eingestellt werden, wenn die Temperatur der Sekundärbatterien
B ansteigt, um die durch ein Überladen
verursachte Verschlechterung der Sekundärbatterien B zu verringern.
Die
zweiten und dritten dargestellten Ausführungsformen können folgendermaßen zusammengefaßt werden.
Jedesmal wenn die abgetastete Ladeklemmenspannung den vorgegebenen
hohen Spannungswert erreicht oder überschreitet, wird der durchschnittliche
Ladebetrag, der an die Sekundärbatterien
B über
jede kombinierte Ladeperiode und Ruheperiode geliefert wird, im
Vergleich mit einem durchschnittlichen Ladebetrag, bevor die abgetastete Ladeklemmenspannung
den vorgegebenen hohen Spannungswert erreicht, reduziert.
Ein
Ladeverfahren gemäß einer
vierten dargestellten Ausführungsform
wird nachstehend unter Bezugnahme auf ein 10 dargestelltes Flußdiagramm beschrieben. 11 zeigt einen Graph der Klemmenspannung
einer Lithiumionen-Batterie, wenn
sie gemäß dieser
Ausführungsform
geladen wird. 12 zeigt
einen ausführlicheren
Abschnitt des Graphen aus 11,
bei dem die Zeitachse verlängert
worden ist.
In
der vierten Ausführungsform
lädt die
Ladeeinrichtung die Sekundärbatterie
mit einem konstanten Strom und tastet die Klemmenspannung (V) der Sekundärbatterie
periodisch ab. Dann vergleicht die Ladeeinrichtung die abgetastete
Klemmenspannung mit einem vorgegebenen Spannungswert (Y).
Wenn
die abgetastete Klemmenspannung (V) den vorgegebenen Spannungswert
(Y) erreicht oder übersteigt,
dann stoppt die Ladeeinrichtung den Ladevorgang. Wenn andererseits
die abgetastete Klemmenspannung (V) den vorgegebenen Spannungswert
(Y) nicht erreicht hat, dann nimmt die Ladeeinrichtung ein Laden
der Sekundärbatterie
mit dem konstanten Strom wieder auf.
Dieser
Prozess wird im Zusammenhang mit dem in den 11 und 12 gezeigten
Graph der Klemmenspannung der Sekundärbatterie erläutert. Unmittelbar
nach der Einleitung des Ladevorgangs wird die abgetastete Klemmenspannung
(V) die vorgegebene Klemmenspannung (Y) nicht erreicht haben. Deshalb
setzt die Ladeeinrichtung den Ladevorgang fort. Dieses Intervall
ist in 11 als ein Intervall
(A) bezeichnet.
Wenn
dann die abgetastete Klemmenspannung (V) den vorgegebenen Spannungswert
(Y) zum ersten Mal erreicht, stoppt die Ladeeinrichtung den Ladevorgang.
Bei der nächsten
Abtastung, wenn die Ladeeinrichtung die Klemmenspannung (V) der
Sekundärbatterie
abtastet, während
der Ladevorgang gestoppt ist, wird die abgetastete Klemmenspannung (V)
kleiner als der vorgegebene Spannungswert (Y) sein. Deshalb nimmt
die Ladeeinrichtung den Ladevorgang wieder auf. Während dieses
Intervalls, welches in den 11 und 12 als Intervall (B) bezeichnet ist,
bleibt die abgetastete Klemmenspannung (V) während des Ladevorgangs gleich
oder größer als der
vorgegebene Spannungswert (Y) und die abgetastete Spannung (V) bleibt
kleiner als der vorgegebene Spannungswert (Y), während der Ladevorgang gestoppt
ist. Jedesmal wenn die Ladeeinrichtung die Klemmenspannung (V) der
Sekundärbatterie
abtastet, verändert
das Schaltelement SW1 einen Zustand (d.h. wird ein- oder ausgeschaltet),
so daß die
Ladeeinrichtung innerhalb des Intervalls (B) wiederholt zwischen
einem Ladevorgang und einem Stoppen des Ladevorgangs hin- und herschaltet.
Wenn die während
eines Stoppens des Ladevorgangs abgetastete Klemmenspannung (V)
gleich oder größer wie
der vorgegebene Spannungswert (Y) wird, unter Bezugnahme auf das
Intervall (C) der 11 und 12, dann ist der Ladevorgang
abgeschlossen.
Der
an die Batterie in einer Abtastperiode gelieferte Ladebetrag ist
vorzugsweise auf einen Betrag begrenzt, der keine Verschlechterung
der Sekundärbatterie
verursacht, wenn sie sich dem Voll-Ladepegel annähert. Wenn die Sekundärbatterie
nach Starten des Ladevorgangs beispielsweise vollständig geladen
sein sollte, kann eine Ladeschaltung gemäß dieser Erfindung die durch
eine Überladung
verursachte Verschlechterung der Sekundärbatterie verringern.
Hinsichtlich
des Ladebetrags, der keine Verschlechterung der Sekundärbatterie
in der Nähe
des Voll-Ladepegels verursacht, ist für eine Lithiumionen-Sekundärbatterie
der während
einer Ladeperiode zugeführte
Ladungsbetrag vorzugsweise auf 5% des Voll-Ladungsbetrags beschränkt. Insbesondere ist
der Ladebetrag während
einer Ladeperiode auf 3% begrenzt. Weiter ist es vorteilhaft, wenn
der Ladebetrag während
einer Ladeperiode auf 1% beschränkt
ist. Wenn die Lithiumionen-Sekundärbatterie
beispielsweise einen Voll-Ladebetrag von 1000 mAh besitzt, sind
5% dieses Betrags 15 mAh. Wenn deshalb der Ladestrom 2 A ist, dann
wird die Ladeperiode auf 90 sek. (= 25 mh) gesetzt, um den Ladebetrag
auf 5% einer Voll-Ladung zu begrenzen. Wenn der Ladebetrag während einer
Ladeperiode auf 1% des Voll-Ladebetrags von 1000 mAh beschränkt ist, ist
die Ladeperiode auf 18 sek. (= 5 mh) beschränkt.
Wie
in dem Flußdiagramm
aus 10 gezeigt, nachdem
die Steuereinrichtung 2 den Prozess startet, tastet die
Steuereinrichtung 2 die Klemmenspannung (V) der Sekundärbatterien
B bei einer festen Periode X (z.B. 3 ms) im Schritt 1 periodisch
ab. Im Schritt 2 wird bestimmt, ob die abgetastete Klemmenspannung
(V) gleich oder größer als
ein vorgegebener Spannungswert (Y) (z.B. 8,4 V) ist. Wenn die abgetastete
Klemmenspannung (V) kleiner als der vorgegebene Wert (Y) ist, dann
schaltet die Steuereinrichtung 2 das Schaltelement SW1
im Schritt 6 ein. Wie in den 11 und 12 gezeigt, ist während der
frühen
Phase des Intervalls (A) die abgetastete Klemmenspannung (V) während eines Ladevorgangs
kleiner als der vorgegebene Spannungswert. Infolgedessen wird das
Schaltelement SW1 eingeschalten gehalten und die Sekundärbatterien
B werden kontinuierlich und schnell geladen.
Sobald
die abgetastet Klemmenspannung (V) während des Ladevorgangs den
vorgegebenen Spannungswert (Y) erreicht oder überschreitet, schaltet die
Steuereinrichtung 2 das Schaltelement 2 im Schritt 3 aus.
An diesem Punkt beginnt das Intervall (B) (11 und 12).
Im Schritt 4 wird dann ein Zähler inkrementiert, um die
Anzahl von aufeinanderfolgenden Malen, zu denen der Schalter SW1
ausgeschaltet wird, zu verfolgen. Der (nicht dargestellte) Zähler ist
in der Steuereinrichtung 2 untergebracht.
Im
Schritt 5 wird bestimmt, ob der Zählwert im Schritt 4 (der
die aufeinanderfolgenden Male darstellt, zu denen der Schalter SW1
ausgeschaltet wird) gleich oder größer als eine vorgegebene Anzahl
(A) ist. Wenn der Zählwert
im Schritt 4 kleiner als die vorgegebene Anzahl (A) ist,
dann kehrt der Prozess zum Schritt 1 zurück. Während der
Ladevorgang dann gestoppt ist, tastet die Steuereinrichtung 2 die
Klemmenspannung (V) im Schritt 2 ab. Während des Intervalls B steigt
die Klemmenspannung, die abgetastet wird, während der Ladevorgang gestoppt
ist, allgemein bei jeder Abtastung an, aber die Klemmenspannung
hat den vorgegebenen Spannungswert noch nicht erreicht. Jedesmal
wenn die Klemmenspannung abgetastet wird, während das Laden gestoppt ist,
wird somit der Schalter SW1 zur Wiederaufnahme des Ladevorgangs
wieder eingeschaltet (Schritt 6).
Zusätzlich wird
der Zähler
zurückgesetzt. Der
Wiederaufnahme des Ladevorgangs folgend wird die Klemmenspannung
nach der vorgegebenen Periode X im Schritt 1 abgetastet.
Während
des Intervalls B bleibt die während
des Ladens abgetastete Klemmenspannung über dem vorgegebenen Spannungswert
(Y). Jedesmal wenn die Klemmenspannung abgetastet wird, während im
Intervall B ein Ladevorgang abläuft,
wird somit der Schalter SW1 ausgeschaltet (Schritt 3) und
der Zähler
wird inkrementiert (Schritt 4). Da der Zähler in
dem vorhergehenden Schritt 6 zurückgesetzt wurde, bleibt der
Zählwert
unter dem im Schritt 5 bestimmten vorgegebenen Zählwert (A)
bis zum Ende des Intervalls B. In dieser Weise wird während des
Intervalls B der Ladevorgang wie in den 11 und 12 gezeigt
alternierend eingeschaltet und ausgeschaltet.
Sobald
die Klemmenspannung, die abgetastet wird, während der Ladevorgang gestoppt
ist, den vorgegebenen Spannungswert (Y) (Schritt 2) erreicht,
wird der Zähler
im Schritt 4 inkrementiert, anstelle im Schritt 6 zurückgesetzt
zu werden. Wenn die abgetastete Klemmenspannung A-mal oder eine
größere Anzahl
von Malen aufeinanderfolgend bei dem Spannungswert (Y) oder darüber abgetastet
wird, während
ein Laden gestoppt ist (Schritt 5), dann ist der Ladevorgang
abgeschlossen. Nachdem die Ladeeinrichtung den Ladevorgang zum ersten
Mal abgeschlossen hat, wenn die Klemmenspannung (V) kleiner als
der vorgegebene Spannungswert (Y) ist, beispielsweise aufgrund einer
Selbstentladung, dann nimmt die Ladeeinrichtung in einer anderen
Ausführungsform
den Ladevorgang wieder auf.
Ein
Laden während
einer kürzeren
Abtastperiode kann effektiv die Verschlechterung der Sekundärbatterie
verringern. Allerdings können
Teile, die eine extrem viel kürzere Abtastperiode
in der Steuereinrichtung 2 und dem Schaltelement SW1 realisieren,
teuer sein.
Wie
in 12 gezeigt, stabilisiert
sich die Klemmenspannung der Lithiumionen-Sekundärbatterie allgemein bei 0,5
ms, nachdem das Schaltelement SW1 aus- oder eingeschaltet ist. Deshalb
wird die Zeitlänge
einer Periode auf wenigstens 1 msek. eingestellt.
In
den voranstehend erwähnten
Ausführungsformen
tastet die Ladeeinrichtung die in Reihe geschaltete Klemmenspannung
der Sekundärbatterien
B, die in Reihe geschaltet sind, ab. In einer alternativen Ausführungsform
kann die Ladeeinrichtung die Klemmenspannung jeder der Sekundärbatterien B
individuell abtasten. Wenn somit die Klemmenspannung einer der Sekundärbatterien
B den vorgegebenen Spannungswert erreicht, dann kann die Einrichtung
den Ladevorgang beenden.