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Bezeichnung: Verfahren und Schaltungsanordnung
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zur Schnelladung von Batterien
Die Erfindung betrifft
ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zum Schnelladen von Batterien, bestehend
aus elektrochemischen Sekundärelementen, deren Spannungscharakteristik bei steigender
Temperatur eine fallende Tendenz zeigt, unter automatischer Abschaltung des Schnelladestroms
in Abhängigkeit von der Temperatur der Elemente.
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Batterien, die solche Schnelladeeigenschaften besitzen sind z.B. aus
Nickel-Cadmium-Zellen aufgebaute Batterien, die entgegen normalen NC-Batterien Eigenschaften
aufweisen, die sie für hohe Belastung und Ladeströme geeignet machen. Solche Batterien
werden daher überall dort eingesetzt wo, wenigstens von Zeit zu Zeit eine Schnelladung
erforderlich ist. Batterien dieser Art können in der Regel mit 1/10 (Q,1C) von der
Kapazität beliebig lange geladen werden. Die Normalladezeit beträgt hierbei 14 Stunden.
Für viele Anwendungsgebiete, z.B. für elektromotorisch angetriebene Schiffs- Auto-
und Flugmodelle sowie für Notstromversorgungsanlagen ist diese Ladezeit Jedoch zu
lang, so daß es häufig erwünscht ist eine Schnelladung aus dem Wechselstromnetz
oder insbesondere bei elektromotorisch betriebenen Modellen unter Zuhilfenahme einer
mobilen Batterie, beispielsweise einer Fahrzeugbatterie, vorzunehmen. Die Höhe des
Ladestromes soll dabei im Sinne einer weitgehenden Verkürzung der Ladezeit ein Vielfaches
der Höhe des normalen Ladestromes betragen. Derartige hohe Stromstärken sind für
diese speziellen Schnellade-Batterien unschädlich. Auf diese Weise wird es möglich,
die Ladezeiten bis auf einige Minuten zu verkürzen.
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Einer beliebigen Verkürzung der Ladezeiten steht nicht nur die dann
erforderliche hohe Stromstärke entgegen, sondern auch der Umstand, daß bei einer
Ladung mit sehr hoher Stromstärke die Batterie nicht bis zu ihrer vollen Kapazität
aufgeladen werden kann, weil bereits vor Erreichen einer Volladung eine Temperaturerhöhung
zu bemerken ist, die zur Vermeidung von Schädigungen der Batterie eine sofortige
Abschaltung erfordert.
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Als optimale Schnelladezeit hat sich unter diesen Umständen eine Ladedauer
von einer halben Stunde als zweckmäßig erwiesen.
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Aber auch eine derartige Schnelladung hat im Endbereich der Aufladung
eine relativ rasch ansteigende Temperaturerhöhung
der Elemente zur
Folge, was zur Beschädigung und sogar Zerstörung der Batterien führen kann. Es ist
daher bei der Schnelladung unerläßlich, den Ladevorgang zu beenden bevor eine solche
schädliche Erwärmung einsetzen kann.
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Andererseits möchte man die Kapazität der Batterie voll ausnutzen
und nicht unnötig früh den Ladevorgang beenden.
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Es ist bekannt die Aufladung zeitlich zu begrenzen. Hierbei wird beispielsweise
eine 1/2-stündige Aufladung mit 20 x I/10 (2C) vorgenommen. Dieses sehr einfache
Verfahren ist zwar preisgünstig, hat jedoch den entscheidenden Nachteil, daß der
Ladezustand der Elemente bekannt sein muß.Da die Bestimmung des Ladezustandes äußerst
schwierig und in der Praxis kaum durchführbar ist, muß zur Vermeidung einer Uberladung
vor der Schnelladung eine völlige Entladung der Elemente gewährleistet sein.
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Es ist weiter bekannt, die Schnelladung in Abhängigkeit von der Höhe
der Batteriespannung zu beenden. Ein Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß
eine vorherige Entladung nicht erforderlich ist und von jedem Ladezustand die Batterie
auf ihre volle Kapazität aufgeladen werden kann. Eine Schwierigkeit dieses Verfahrens
liegt jedoch in der notwendigen Feinfühligkeit der Spannungsmessung und darin, daß
das Temperaturverhalten der Elemente berücksichtigt werden muß. NC-Batterien dieser
Bauart haben z.B. einen Temperaturgang von minus 4 mV/OC, so daß es schwierig ist,
unter Berücksichtigung der Außen- und Innentemperatur des Gerätes die Abschaltung
spannungsabhängig so vorzunehmen, daß gefährliche Erwärmungsvorgänge vermieden werden,
die Kapazität der Batterie aber voll ausgenutzt wird.
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Es ist ferner bekannt, die Ladebegrenzung in Abhängigkeit von der
Temperatur der Elemente vorzunehmen. Bei größeren Zellen haben die Hersteller zu
diesem Zweck Kammern vorgesehen, die
eine Messung der Temperatur
in der Zelle ermöglichen. Diese unmittelbare Messung ist erwünscht, weil eine Oberflächenmessung
wegen der relativ hohen Trägheit unzweckmäßig ist und bei mehrzelligen Batterien
in der Regel alle Zellen mit einem Temperaturfühler versehen werden müßten. Dies
ergibt einen hohen apparativen Aufwand und entsprechend teure Ladegeräte. Außerdem
besteht die Gefahr, daß die Temperaturfühler nicht ordnungsgemäß angebracht werden
und die Zuleitungen an den Zellen infolge hoher mechanischer Beanspruchung, insbesondere
bei Flug- und Automodellen, Schaden leiden können, so daß die automatische Abschali,ung
in Frage gestellt ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und
eine Schaltungsanordnung zum Schnelladen zu schaffen, die bei Ausnutzung der Batteriekapazität
auf einfache Weise betriebssicher eine Abschaltung gewährleistet, bevor gefährliche
Temperaturen in den Elementen erreicht sind.
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Gelöst wird die gestellte Aufgabe verfahrensmäßig durch die im Kennzeichnungsteil
des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.
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Dadurch, daß erfindungsgemäß die Abschaltung nicht in Abhängigkeit
von der absoluten Höhe der Ladespannung erfolgt, sondern in Abhängigkeit von der
zeitlichen Änderung wird einmal erreicht, daß der Einfluß der Umgebungstemperatur
ausgeschaltet wird, weil die Tendenz der Ladekurve bei jeder Temperatur gleich ist
und sich die einzelnen Kurven nur in der Höhe der jeweiligen Spannungswerte unterscheiden.
Andererseits ist es auch in weiten Grenzen gleichgültig, wieviele Elemente in Reihenschaltung
hintereinander liegend geladen werden, weil nicht die Spannungshöhe, sondern die
zeitliche Anderung, d.h. die erste Ableitung der Spannung nach der Zeit zur Abschaltung
herangezogen wird. Diese zeitliche Ableitung läßt sich auf einfache Weise durch
ein Differenzierglied feststellen, wofür' schaltungstechnisch die verschiedensten
Möglichkeiten bestehen. Je nach
den zur Anwendung kommenden Batterien
kann auf diese Weise die Abschaltung vor Erreichen des Spannungsmaximums oder nach
Überschreiten des Spannungsmaximums vorgenommen werden.
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Insbesondere ist jedoch gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die Abschaltung
im Spannungsmaximum erfolgt, d.h. im Moment des Nulldurchganges der ersten Ableitung
der Spannung nach der Zeit, d.h. wenn der Differentialquotient dU = O ist.
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dt Dieser Punkt läßt sich auch bei relativ flach verlaufendem Maximum
leicht identifizieren und es wird auf jedem Fall erreicht, daß vor dem temperaturbedingten
Abfall der Spannung, d.h. vor schädlicher Erwärmung der Elemente eine Abschaltung
des Schnelladestromes erfolgt. Insofern erfolgt die Abschaltung in indirekter Abhängigkeit
von der Erwärmung der Zellen.
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Die Erfindung benutzt daher die im Hinblick auf eine Batterieschonung
günstigste Abschaltmethode in Abhängigkeit von der Temperatur der Elemente dadurch,
daß die Temperatur indirekt über den negativen Temperaturkoeffizienten der Elemente
gemessen wird. Gleichzeitig läßt sich dadurch eine Automatisierung des Vorgangs
der Schnelladung bei größtmöglicher Schonung der Batterien und höchstmöglicher Kapazität
erreichen, ohne zusätzliche Messung und Kenntnis des Ladezustandes der Batterie.
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Außerdem ist es-möglich, verschiedene Zellenzahlen, z.B. 7 bis 14
Zellen ohne Umschaltung auf die Jeweilige Batteriespannung zu laden, da nur eine
Differenz zwischen Batteriespannung und Vergleichsspannung gemessen wird.
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Als Stromversorgung kann bei Speisung aus dem Wechselstromnetz ein
Transformator mit Gleichrichter dienen, oder ein Wechselrichter, der z.B. an eine
Fahrzeugbatterie angeschlossen wird.
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In Jedem Falle kann durch an sich bekannte Schaltungsanordnungen eine
Konstanthaltung des Schnelladestromes bewirkt werden.
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Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der
Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine typische Ladekurve einer
NC-Schnelladebatterie; Fig. 2 ein Prinzipschaltbild einer möglichen Spannungsdifferenzmessung.
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Figur 1 zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung bei einem Schnelladevorgang
und diese Kurve hat eine ähnliche Charakteristik wie die Entladekurve. Die Spannung
steigt dabei mehr oder weniger steil an, bis eine Erwärmung der Zellen eintritt.
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Dieser Zeitpunkt der Erwärmung ist in Fig. 1 mit tl gekennzeichnet.
Kurz danach, im Zeitpunkt t2 hat die Spannungskurve ihren Maximalwert und nunmehr
wird das negative Temperaturverhalten der Zelle wirksam und es ergibt sich infolge
der Temperaturerhöhung eine Spannungserniedrigung mit im typischen Fall minus 4
mV/°C. Durch Kenntnis der Punkte t1 bzw. t2 läßt sich demnach der Einsatz der Erwärmung
feststellen und es kann dann über eine elektronische Schaltungsanordnung in Abhängigkeit
von der Spannungsänderung eine Abschaltung bzw. eine Umschaltung auf Normalladung
vorgenommen werden. Diese Schaltungsanordnung kann die Zellenspannung laufend oder
intermittierend messen und beispielsweise mit einem Spannungsnormal vergleichen,
Hierfür ist beispielsweise die in Fig. 2 dargestellte Ladespannung geeignet, Die
Batterie B, die beispielsweise aus 8 bis 14 Zellen bestehen kann, wird über einen
Ladewiderstand Rv vom Ladestrom durchflossen. Parallel zu der Batterie B liegt eine
Reihenschaltung von Widerstand R und Kondensator C sowie Tastschalter T, der alle
10 bis 30 sec ein bis zwei Sekunden lang geschlossen wird zur Angleichung des Kondensators
an die Batteriespannung. An den Widerstand
R ist ein Funktionsverstärker
V angeschaltet, der das Abschaltsignal bzw, das Umschaltsignal liefert. Auf diese
Weise kann die Zellenspannung laufend gemessen und mit einem Normal, d.ho mit der
Spannung an dem Kondensator C verglichen werden. Wird bei der folgenden Messung
festgestellt, daß die Batteriespannung gestiegen ist, so wird weitergeladen und
erst wenn die Messung keine Differenz mehr angibt, d.h. wenn die Spannungsänderung
an der Batterie aufgrund der beginnenden Erwärmung Null wird bzw, rückläufig wird,
unterbricht das Gerät die Schnelladung und schaltet automatisch auf Normalladung
um.
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Anstelle einer intermittierenden Messung kann auch eine ständige Messung
des Spannungsverlaufs durchgeführt werden, wobei eine Schaltung vorgesehen wird,
die auf die änderung der Spannung anspricht und bei Spannungsänderung (über der
Batterie) ein Ausgangssignal vorbestimmter Dauer liefert. Dieses Ausgangssignal
bewirkt bei seinem Verschwinden eine Abschaltung, weil dieses Verschwinden anzeigt,
daß keine Spannungs änderung mehr erfolgt. Liefert die Signalquelle nämlich weitere
Signale gleicher Zeitdauer in Abhängigkeit von der sich weiter ändernden Spannung,
dann wird der die Abschaltung auslösende Abfall des Signals nicht festgestellt