DE3924499A1 - Verfahren zum laden von akkumulatoren und ladegeraet hierfuer - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden von Akkumulatoren, insbesondere von solchen Akkumulatoren, wie sie für Modellbaufahrzeuge verwendet werden, bei welchen mittels eines Ladegerätes der Ladestrom und/oder die Ladespannung eingestellt wird und die Akkumulatoren (Kurz­ form: Akkus) hiermit versorgt werden.

Der Begriff "Fahrzeuge" umfaßt im Sinne der vorliegenden Anmel­ dung Land-, Wasser- und Luftfahrzeuge. Selbstverständlich kön­ nen im Prinzip beliebige Akkus mit einem entsprechenden Gerät nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geladen werden, wenn das Gerät hinsichtlich Größe und Leistung darauf ausgelegt ist.

Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung ein entsprechendes Ladegerät mit einer Strom-/Spannungsversorgung, einem Ausgang mit variabler Ausgangsspannung und/oder variablem Ausgangsstrom Anschlüssen für Akkumulatoren und mit einem Mikroprozessor. Derartige Ladegeräte sind bereits bekannt, wobei der bei neueren Geräten aufzufindende Mikroprozessor insbesondere dazu dient, eine vergleichsweise einfache und preiswerte Möglichkeit für das Einstellen beliebiger Strom- oder Spannungswerte innerhalb eines vorgegebenen Bereiches zu ermöglichen. Auch die Ladedauer kann über einen solchen Mikroprozessor vorgegeben und eingehalten werden.

Nach wie vor ist es jedoch auch bei diesen vergleichweise "intelligenten" Ladegeräten, die immerhin im Preisbereich zwischen einigen hundert DM und tausend DM liegen, erfor­ derlich, Strom und/oder Spannung manuell einzustellen und dabei die Spezifikationen der jeweils zu ladenden Akkus zu beachten. Dabei unterscheiden sich die Akkus nicht nur vom Typ her (zum Beispiel Bleiakkus für Schiffsmodelle, NC-Akkus für Flugzeugmodelle), sondern auch hinsichtlich ihrer Kapa­ zität und hinsichtlich ihrer maximalen Lade- und Entlade­ ströme und/oder -spannungen.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Laden von Akkumulatoren und eine entsprechende Vorrichtung zu schaffen, mit Hilfe derer es möglich ist, Akkumulatoren ohne genaue Kenntnis des Typs, der Kapazität und sonstiger Daten problemlos ohne manuelle Vorgabe irgendwelcher Daten zu laden, wobei das Verfahren dennoch relativ preiswert durchführbar sein soll bzw. die Vorrichtung entsprechend preiswert herstellbar sein soll.

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe dadurch ge­ löst, daß mit Hilfe des Ladegerätes oder zugehöriger Ein­ richtungen Art, Typ und/oder der Innenwiderstand des Akkus bzw. einer Reihe parallel oder in Reihe geschalteter gleich­ artiger Akkus automatisch festgestellt werden und daß unter Verwendung eines Mikroprozessors in Abhängigkeit von dieser Feststellung Ladestrom und/oder -spannung und/oder Lade­ dauer festgelegt und an den Ausgängen des Ladegerätes auto­ matisch eingestellt werden.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die der Erfindung zugrunde­ liegende Aufgabe dadurch gelöst, daß das Ladegerät eine Ein­ richtung zum Erfassen des Typs und/oder der Kapazität und/ oder des Innenwiderstandes des zu ladenden Akkumulators auf­ weist und daß der Mikroprozessor eine Programmierung auf­ weist, die in Abhängigkeit von den erfaßten Werten Ausgangs­ strom, -spannung und/oder Ladedauer einstellt.

Während bei den eingangs erwähnten bekannten Verfahren und Geräten zwar auch ein Mikroprozessor verwendet wird, dieser jedoch im wesentlichen nur als intelligente Schalteinheit arbeitet, werden gemäß der Erfindung bei dem entsprechenden Ladeverfahren und der zugehörigen Vorrichtung die Möglich­ keiten und Fähigkeiten eines Mikroprozessors wesentlich besser genutzt, indem dieser sozusagen selbsttätig unmit­ telbar nach Herstellung der Verbindung zwischen Ladegerät und Akkumulatoren die zur Einstellung von Ladestrom, - span­ nung und/oder -dauer erforderlichen Daten oder Meßwerte erfaßt.

Gemäß einer bevorzugten Vorgehensweise mißt das Ladegerät nach dem Anschluß der Akkukontakte selbsttätig den Innen­ widerstand des Akkus und zwar durch einen - gegebenenfalls mehrfach wiederholten - Entlade- und/oder Ladevorgang unter Kontrolle bzw. Messung von Lade-/Entladestrom und -spannung. Auf diese Weise kann in zuverlässiger Weise der Innenwider­ stand eines Akkus gemessen werden, was in zuverlässiger Weise einen Rückschluß auf den Akkutyp, die Zellenspannung, die Zahl der Zellen und den geeigneten maximalen Ladestrom so­ wie der zugehörigen Ladespannung zuläßt.

Gemäß einer anderen Vorgehensweise können jedoch auch ein­ zelne Akkuzellen in eine bestimmte, mit dem Ladegerät ver­ bundene Halterung eingesetzt werden, wodurch Typ und Anzahl erfaßt werden können. Die Halterung kann beispielsweise so gestaltet sein, daß nur Zellen eines bestimmten Akkutyps in diese hineinpassen, wobei die Anzahl der tatsächlich ein­ gesetzten Akkus durch Sensoren erfaßt werden kann, welche gleichzeitig Schalteinrichtungen in der Halterung oder im Ladegerät betätigen, so daß in gewünschter Weise eine Reihen- oder Parallelschaltung der eingesetzten Zellen erfolgt, die dann ihrem Typ und ihrer Anzahl entsprechend mit dem geeig­ neten Ladestrom geladen werden.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Verfahrensweise weisen die einzelnen Akkuzellen eine Kennung auf, die mit einer Erfassungseinrichtung an der Halterung der Akkuzellen vom Ladegerät erfaßt wird. Derartige Kennungen und Erfassungs­ einrichtungen sind beispielsweise von modernen Fotokameras bekannt, die beim Einsetzen einer Filmpatrone automatisch deren DIN-Zahl oder ASA-Zahl erkennen und die entsprechende Filmempfindlichkeit an der Kamera automatisch einstellen.

Bei einem bevorzugten Verfahren gemäß der vorliegenden Er­ findung erfaßt das Ladegerät bei Konstanthaltung des Lade­ stromes die zeitliche Änderung der Ladespannung. In umge­ kehrter Weise kann das Ladegerät auch bei Konstanthaltung der Ladespannung die zeitliche Änderung des Ladestromes er­ fassen.

Insbesondere für NC-Akkus (Nickel - Cadmium-Akkus) ist bekannt, daß der zeitliche Spannungsverlauf bei konstantem Ladestrom einen Knick aufweist, wenn die Akkus voll geladen sind. Dementsprechend ist die zeitliche Änderung der Ladespannung bei vollgeladenen Akkus von der bei nicht oder nur teilweise geladenen Akkus zu unterscheiden, so daß dieses Kriterium zur Beendigung des Ladevorganges genutzt werden kann.

In analoger Weise könnte auch das Maß der zeitlichen Ände­ rung des Ladestromes für die automatische Beendigung des Ladevorganges verwendet werden.

Dabei ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß bei Beendigung des Ladevorganges eine Anzeigevorrichtung ausgelöst wird. Dabei kann es sich um eine optische (z.B. Leuchtdiode oder Display) oder aber auch um eine akustische (z.B. Summer) Anzeigevorrichtung handeln.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die richtige Polung des Akkus durch eine entsprechende Programmie­ rung des Mikroprozessors kontrolliert, wobei bei falscher Po­ lung eine Warneinrichtung ausgelöst wird. Vorzugsweise wird dabei auch gleichzeitig sichergestellt, daß kein nennenswerter Strom den Akku entlädt und auch keine Schaltungsteile des La­ degerätes zerstört werden.

Weiterhin wird ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfin­ dung bevorzugt, bei welchem die sich aus der Erfassung von Akkutyp und/oder Anzahl bzw. Innenwiderstand ergebenden Ein­ stellparameter mit fest vorgegebenen Grenzwerten verglichen und bei Überschreitung oberer Grenzwerte und bei Unterschrei­ tung unterer Grenzwerte eine Anzeige der möglichen Grenz­ wertüberschreitung erfolgt, wobei gleichzeitig entweder der Ladevorgang gar nicht erst beginnt, z.B. wenn der erforder­ liche Ladestrom oder die erforderliche Ladespannung unter­ halb der minimal an dem Ladegerät einstellbaren Werte liegt, oder mit den jeweiligen Parametergrenzwerten durchgeführt wird, etwa wenn zum Laden eines Akkus ein bestimmter Maximal­ wert möglich wäre, der jedoch mit dem Ladegerät nicht er­ reicht werden kann, ohne bestimmte Bauteile desselben zu ge­ fährden oder zu zerstören. Auch eine sofortige Beendigung des Ladevorganges ist bei Unregelmäßigkeiten,wie bei zu hoher Ein­ gangsspannung für das Ladegerät, zweckmäßig.

Dabei ist es zweckmäßig, wenn alle von dem Ladegerät vor­ genommenen Messungen, sei es zum Einstellen der Ladepara­ meter oder aber zur Beendigung des Ladevorganges oder zur Überprüfung und gegebenenfalls Auslösung von Warneinrich­ tungen, mehrfach vorgenommen und miteinander verglichen wer­ den.

Hierdurch wird das Risiko von Fehleinstellungen und Fehl­ alarm drastisch vermindert.

Das Ladegerät gemäß der vorliegenden Erfindung weist eine Einrichtung zum Erfassen des Typs, der Kapazität oder des Innenwiderstandes von Akkus auf, welche im wesentlichen aus einem geeignet programmierten Mikroprozessor und mit dem Mikroprozessor verknüpften Schaltelementen besteht, welche die Messung und Erfassung der vorgenannten Größen ermöglichen.

Im einfachsten Fall bestehen solche Einrichtungen aus Sen­ soren, die durch das Einsetzen eines Akkus bzw. einer Akku­ zelle in eine entsprechend gestaltete Halterung betätigt werden und so Steuersignale an den Mikroprozessor abgeben, der diese in die entsprechenden Strom- und Spannungswerte sowie Ladezeiten umsetzt.

Dabei ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Lade­ gerätes als Strom/Spannungsversorgung für dasselbe eine 12 V-Batterie vorgesehen. Dieser Batterietyp findet sich in fast allen Kraftfahrzeugen, so daß das Laden der (relativ kleinen) Akkus von Modellbaufahrzeugen netzunabhängig über­ all dort erfolgen kann, wo eine solche Batterie (Autobatterie) zur Verfügung steht. Selbstverständlich kann die Strom/Spannungsversorgung auch über das normale Wechsel­ strom-Leitungsnetz mit vorgeschaltetem Netzteil erfolgen.

Bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform des Ladegerätes, wel­ che einen Spannungswandler aufweist. Ein Spannungswandler ist in jedem Fall dann erforderlich, wenn die erforderliche Span­ nung zum Laden einer Reihe hintereinandergeschalteter Akkuzel­ len die Spannung der Strom-/Spannungsversorgung (12 Volt) über schreitet. Der Typ des Wandlers (z.B. Drosselwandler, Trafo­ wandler, Kaskadenschaltung mit Dioden und Kondensatoren...) und/oder die zugehörige Beschaltung bestimmt,

• a) ob das Arbeiten des Wandlers erst oberhalb von 12 Volt La­ despannung erforderlich ist oder
• b) ob der Wandler beim Laden generell in Betrieb ist und
• c) ob die Wandlerschaltung auch als Stromwandler betrieben werden kann.

Im letztgenannten Fall kann eine zusätzliche Stromregelstufe entfallen.

Soweit bereits die gemäß einer bestimmten Ausführungsform vorgesehene Halterung für Akkuzellen angesprochen wurde, welche Sensoren zum Erfassen von eingesetzten Akkus aufweist, können auch andere Sensoren vorgesehen werden, welche unmit­ telbar den Akkutyp erfassen, beispielsweise aufgrund seiner äußeren Form und Größe oder aber aufgrund einer bestimmten Kennung, auf welche der Sensor anspricht.

Zum Feststellen einer polrichtigen Schaltung des Akkus weist das Ladegerät zweckmäßigerweise eine Diodeneingangsschal­ tung auf. Bei falscher Polung der Akkus kann diese eine Warneinrichtung auslösen, zum Beispiel einen Summer, eine Leuchtdiode, Blinklampe oder dgl. und kann außerdem bei­ spielsweise durch Unterbrechung eines der Anschlußkontakte das Fließen von Strömen durch die Anschlußkontakte des Lade­ gerätes verhindern.

Zweckmäßig ist eine Ausführungsform des Ladegerätes, bei wel­ chem eine Entladeschaltung mit einstellbaren Strömen vorgese­ hen ist. Bei einem solchen Ladegerät kann beispielsweise vor Beginn des Ladevorganges der Mikroprozessor zunächst die bei­ den Anschlußkontakte auf die Entladeschaltung schalten, so daß der Akku über diese entladen wird, dabei wird die Spannung an den Anschlußkontakten abgegriffen und das zeitliche Spannungs­ verhalten du/dt beim Lade- und/oder Entladevorgang liefert so ein Maß für den Ladezustand und den Innenwiderstand, wobei für den Fall, daß der Akku bereits tief entladen sein sollte, nach einer solchen Entladung bzw. einem Entladeversuch der Akku zu­ nächst wieder mit einem sicherheitshalber gering gewählten Strom geladen und hernach über die Entladeschaltung nochmals entladen werden kann.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform des Ladegerätes, bei welcher ein Display zur Anzeige eingestellter Werte und/ oder des Betriebszustandes des Ladegerätes und/oder des Lade­ zustandes der Akkus vorgesehen ist. Dies erlaubt eine dauernde visuelle Kontrolle der Gerätefunktionen, wobei da­ rüberhinaus über Bedienelemente der Ladevorgang auch von Hand unterbrochen werden kann, wenn der Ladevorgang für eine Volladung an sich noch nicht beendet ist, das erreichte Maß der Ladung jedoch ausreichend erscheint.

Neben dem Display ist in der bevorzugten Ausführungsform selbstverständlich auch eine akustische Anzeigeeinrichtung vorgesehen, wobei diese in erster Linie für die Erzeugung von Warntönen und zur Anzeige der Beendigung eines Ladevorganges dient.

Neben der bereits erwähnten Erfassung von zeitlichen Ände­ rungen der Ladespannung bei konstantem Ladestrom kann das Gerät selbstverständlich auch eine beliebige andere Abschalt­ automatik aufweisen. So kann beispielsweise während des Lade­ vorganges mit konstantem Strom die Temperatur des Akkus bzw. der Akkuzelle mit Hilfe eines an der Zelle anliegenden Sen­ sors gemessen werden, wobei deren stärkere Erhitzung, wenn sie den Volladezustand erreicht hat, als Kriterium für das Abschalten des Ladegerätes dient. Die Abschaltautomatik kann auch in einer einfachen Zeitschaltuhr bestehen, welche in das Elektroniksystem des Ladegerätes integriert ist.

Da das Ladegerät in der bevorzugten Ausführungsform für eine Spannungsversorgung an 12 Volt-Batterien vorgesehen ist, sollte der Eingang des Ladegerätes vorzugswei­ se mit einem Überspannungsschutz und einer Falschpolerkennung versehen sein. Diese verhindern eine Zerstörung des Ladegerätes, falls es irrtümlicherweise falsch oder an eine unpassende Strom-/Spannungsquelle angeschlossen wird.

Die Erfindung wird nun mit ihren Vorteilen, Merkmalen und An­ wendungsmöglichkeiten anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung zum Laden von Akku­ mulatoren,

Fig. 2 einen detaillierten Schaltplan der Elemente 100 bis 500 aus Fig. 1,

Fig. 3 einen detaillierten Schaltplan der Elemente 600 bis 760 aus Fig. 1 und

Fig. 4A bis 4D verschiedene Beispiele eines Falschpolungs­ schutzes.

In Fig. 1 stellt der Block 100 die Strom-/Spannungsversorgung des Ladegerätes dar, die beispielsweise auch eine der Falsch­ polungsschutzschaltungen gemäß Fig. 4 enthalten kann. Diese Strom-/Spannungsversorgung kann beispielsweise an einen Auto­ akku angeschlossen werden. Dieser Strom-/Spannungsversorgung 100 des Ladegerätes ist zum einen eine Spannungsversorgung 200 für digitale Bausteine 600, 700, 760 (5 Volt) nachgeschaltet, sowie parallel hierzu ein Ladespannungswandler 300, der wiede­ rum eine Ladestromquelle 400 mit der Spannung versorgt, die zum Laden des Akkus 450 erforderlich ist.

Der zu ladende Akku 450 ist außerdem an eine Entladeschaltung 500 angeschlossen, die gegebenenfalls vor Beginn des Ladevor­ ganges in Aktion tritt.

Die Funktion des A/F-Wandlers wird später noch beschrieben. Sämtliche Baugruppen 300 bis 600 sind außerdem über Steuer- oder Erfassungsleitungen mit dem Mikroprozessor 700 verbunden.

Während die Spannungsversorgung 200, deren Aufbau im einzelnen in Fig. 2 zu erkennen ist, über die integrierte Schaltung I11 eine konstante 5-Volt-Spannungsversorgung für die digitalen Bausteine des Ladegerätes bereitstellt, dient der Spannungs­ wandler 300 zur Erhöhung der Ladespannung, wenn zu ladende Akkus eine höhere Spannung benötigen als beispielsweise die 12-Volt-Autobatterie auf der Eingangsseite bereitstellen kann.

Dabei übernimmt ein integrierter Steuerbaustein I71 die Takt­ erzeugung und Regelung des Wandlers bestehend aus den Bauele­ menten T81, L1, D81, C21, C22, C23.

Dabei werden in der vorliegenden Anmeldung generell integrier­ te Schaltbausteine mit I, Transistoren mit T, Spulen mit L, Dioden mit D, Kondensatoren mit C und Widerstände mit R gekenn­ zeichnet, jeweils gefolgt durch eine weitere Kennziffer zur Identifizierung des jeweiligen Bausteines in den Figuren.

Das aus I4, R71, C71,I6.4 aufgebaute Low-Pass-Filter mit nach­ folgendem Pufferverstärker setzt das vom Prozessor 700 zur Steuerung des Wandlerbausteines 600 erzeugte, pulsweitenmodu­ lierte Signal in einen Analogwert um (D/A-Wandlung). Alterna­ tiv könnte die Ansteuerung und Regelaufgabe komplett von dem überwachenden Mikroprozessor übernommen werden. Außerdem könn­ te die Spannungswandlerschaltung bei Akkuspannungen über 12 Volt auch als Stromquelle eingesetzt werden, die von R9 über­ wacht und gesteuert wird.

Als Stromquelle 400 dient im vorliegenden Fall ein (gegebenen­ falls auch mehrere) P-Kanal-Leistungs-Mosfet T52, um die An­ steuerverluste gering zu halten. Selbstverständlich sind auch bipolare Lösungen möglich. Bei Akkuspannungen unter 12 Volt arbeitet T52 verlustleistungsintensiv. Bei Akkuspannungen über 12 Volt wird die Spannungsquelle aus Block 300 jedoch so ange­ steuert, daß nur minimale Verluste über T52 entstehen, d.h. also so, daß die Spannungsdifferenz zwischen Drain und Source minimal ist.

I4, R41, C41, I6, T54 und R53 erzeugen (wieder aus einem puls­ weitenmodulierten Signal) den Steuerstrom für den Stromquel­ lentransistor T52. Die Stromregelschleife wird über den zu la­ denden Akku 450 und über R55, I6.1 geschlossen.

Da zur Verlustleistungsbegrenzung R9 sehr niederohmig ausge­ führt ist, wird zur Verbesserung der Regelung das im Milli­ voltbereich liegende Signal über einen Operationsverstärker mit geringen Offsetspannungen/-Strömen verstärkt (Abgleich entfällt).

Die Verstärkung von I6.2 erfolgt mit T56, R56 in zwei Stufen, um einen Ladestrombereich erfassen zu können, der über der Auflösung des im Prozessor verwendeten A/D-Wandlers liegt.

In der Entladeschaltung 500 (Stromsenke) wird der Laststrom­ transistor T35 (wiederum aus einem pulsweitenmodulierten Sig­ nal) von I4, R45, C45, I6.3, R38 (D35) gesteuert. T35 dient dem Schutz vor falsch gepolt angeschlossenen Akkus. R35 dient zum Erfassen des Entladestroms in der Regelschaltung mit I6.3.

Die gewählte Schaltungsart der Stromsenke hat den Vorteil, daß sie beim Selbsttest des Gerätes mit voll eingeschaltetem T52 in Reihe mit dem Referenzwiderstand der Stromquellenschaltung (R9) kalibriert werden kann.

Zur genauen Erfassung der Spannungskennlinie des zu ladenden Akkus ist die Auflösung des im (im vorliegenden Fall vorgese­ henen) Mikroprozessor vorhandenen A/D-Wandlers zu gering. Da 12 bis 16 Bit A/D-Wandler teuer sind und keine schnellen Wand­ lungen erforderlich sind, wurde im vorliegenden Fall der Umweg über einen A/F (Analog/Frequenz)-Wandler 600 gegangen, der den Wandlerbaustein I91 aufweist, dessen Signal der Prozessor I101 mit 16 Bit Genauigkeit erfassen kann.

Da bei der Messung der Spannung sowohl die Spannungsabfälle über den Innenwiderstand des Akkumulators als auch über R9 mitgemessen werden, ist eine reproduzierbare Konstanthaltung des Ladestroms bei den zeitlich verschiedenen Messungen unum­ gänglich, was jedoch kein Problem darstellt.

Der im Mikroprozessor 700 verwendete Mikrokontroller 101, der in der bevorzugten Ausführungsform verwendet wird, hat die Be­ zeichnung SAB 80535. Andere Typen sind selbstverständlich eben­ falls geeignet, unter Umständen mit geänderter peripherer Be­ schaltung.

In der Minimalausführung des Ladegerätes sind die folgenden vier Blöcke erforderlich:
710: Latch und Eprom (Programmspeicher), falls kein maskenpro­ grammierter Typ zum Einsatz kommt,
750: A/D Eingangsbeschaltung,
760: Spannungs- und Stromsteuerausgänge 740: Bedienelemente, davon mindestens S4 (S = Schalter) zum Auf­ rufen des Kalibrierungsmodus.

Block 720 ist ein 2 × 20-stelliges Display und läßt in Verbin­ dung mit den verbleibenden Bedientasten (S1 bis S3) eine Be­ dienerführung zur Gerätebedienung zu, um Parameter manuell verändern zu können.

Block 770 beinhaltet ein EEPROM, in welches unter anderem

• a) Kalibrierungsdaten des Gerätes geschrieben werden, wobei dann z.B. die Trimmpotentiometer R11 und R55 entfallen kön­ nen und
• b) benutzerspezifische Parameter, die beim Aufruf der ver­ schiedenen Lade- und Entladeprogramme die vom Benutzer zu­ letzt benutzten Geräteeinstellungen beinhalten sowie
• c) eine Checksumme über den EEPROM-Inhalt.

Außerdem zeigt Block 770 einen seriellen Kommunikationsan­ schluß, über den während des Ladebetriebes Statusinformationen über den Akku und das Gerät zu einem Personalcomputer (PC) übertragen werden können. Auch die "Fernbedienung" des Gerätes ist so möglich.

Fällt Block 720 nebst S 1 bis S 3 weg so arbeitet das Gerät aus­ schließlich automatisch in der nachstehend beschriebenen Ar­ beitsweise.

Dabei wird nach verschiedenen Initialisierungsschritten, in welchen

• a) abgefragt wird, ob die Betriebsspannung des Gerätes in dem zulässigen Betriebsspannungsfenster liegt und
• b) die verschiedenen (Hardware-)Baugruppen auf Funktionsfähig­ keit und Einhaltung der Toleranzen durchgetestet werden,
• c) auf den Anschluß des NC-Sinterzellen-Akkus an die dafür vor­ gesehenen Klemmen gewartet.

Sobald dieser Anschluß erfolgt ist, wird

• d) auf polrichtigen Anschluß des Akkus geprüft, und der Bedie­ ner wird gegebenenfalls - bei Falschpolung - auf die Fehl­ bedienung hingewiesen. Ebenso wird
• e) der Bediener darauf hingewiesen, wenn die Akkuspannung über dem für die Hardware zulässigen Bereich liegt. In diesem Fall erfolgt kein Ladevorgang. Falls
• f) die Akkuspannung unter dem für die Hardware zulässigen Be­ reich der Entladeschaltung liegt, ist entweder der Akku leer oder es sind zu wenig Zellen angeschlossen. In diesem Fall wird mit geringem Strom geladen und die zeitliche Tendenz der Zellenspannung beobachtet. Ergibt sich kein wesentli­ cher Spannungsanstieg, ist die Zelle nicht tief entladen und es wird versucht,
• g) den Innenwiderstand der Zelle durch kurze Ladezyklen mit unterschiedlichen Stromstärken und entsprechenden Spannungs­ messungen herauszufinden. Im Regelfall geschieht dies - we­ gen der besseren Genauigkeit des Verfahrens
• h) zusätzlich wechselweise mit Entladevorgängen. Dann wird
• i) über eine durch Ladeversuche an bekannten Akkutypen mit un­ terschiedlichen Ladezuständen ermittelte Tabelle, die Teil des Programmes für I101 ist, ein zu dem Innenwiderstand der Zellen und ihrem spezifischen Verhalten aus den zuvor getä­ tigten Messungen gehöriger Ladestrom eingestellt und gela­ den. In einem weiteren Schritt
• j) wird durch Testmessungen während der Ladung der gefundene Stromwert laufend überprüft und gegebenenfalls angepaßt. Zeigt dann
• k) der Ladespannungsverlauf nach einer kurzzeitigen Zunahme des Spannungsanstieges (erhöhtes du/dt) eine Stagnation bzw. eine rückläufige Tendenz, so ist der Zeitpunkt für die Abschaltung der Schnelladung gekommen. Wahlweise kann in einem alternativen Schritt
• l) als Abschaltkriterium eine maximale, im Parametersatz fest­ gelegte Ladezeit sein. Durch weitere Parameter des gespei­ cherten Parametersatzes kann darüberhinaus angegeben werden, ob
• m) der Akku mit einem Pufferladestrom versorgt werden soll oder ob der Ladestrom ganz abgeschaltet werden soll, und ob
• n) der Benutzer auf die Abschaltung bzw. die Pufferladung des Ladegerätes hingewiesen wird, z.B. durch einen Summton, Blinklicht, Leuchtdiode oder dergleichen. Schließlich wird
• o) nach dem Abklemmen der Akkus der Ladestrom in jedem Fall ganz abgeschaltet.

Die Fig. 4A bis D zeigen noch verschiedene Ausführungen eines Falschpolungsschutzes zu einer Autobatterie hin. In der einfachsten Form besteht dieser Schutz gemäß Fig. 4A aus einer Leistungsdiode, die allerdings relativ groß sein muß, da Ströme von 10 bis 20 Ampere durch diese Diode hindurchfließen, die sich dabei auch erheblich erwärmt, da der Spannungsabfall über die Diode relativ groß ist.

Gemäß einer anderen Ausführungsform, die in Fig. 4B darge­ stellt ist, ist ein Relais vorgesehen, welches allerdings eben­ falls relativ großen Platzbedarf hat und als mechanisches Bau­ element nicht unbedingt bevorzugt wird.

In Fig. 4C ist für die Schutzschaltung ein N-Kanal-Leistungs­ fet vorgesehen. Eine solche Schaltung kann analog auch mit einem P-Kanal-Leistungsfet verwirklicht werden, die jedoch zur Zeit für diesen Anwendungsfall nicht niederohmig genug er­ scheinen.

Auch die Fig. 4D stellt eine Falschpolungsschutzschaltung mit einem N-Kanal-Leistungsfet dar, wobei allerdings in vorteilhaf­ ter Weise in der hier dargestellten Schaltung das Gate gegen zu hohe positive und negative Spannungen geschützt ist. Die maximal er­ laubte Gate-Spannung und damit die Zenerdioden-Spannung er­ gibt sich aus dem Datenblatt des jeweiligen FET.

Die letztgenannte Schutzschaltung arbeitet folgendermaßen. Die dem Mosfet innewohnende Drain/Source-Diode dient wie im Zusam­ menhang mit Fig. 4A beschrieben, als Falschpolungsschutz, d. h., wenn das Ladegerät polrichtig angeschlossen wird, leitet die Drain/Source-Diode.

Da das Gate G des Mosfets über den Widerstand R1 an der posi­ tiven Betriebsspannung liegt und das Drain-Potential gegen­ über dem Gate-Potential negativ ist, wird der FET eingeschal­ tet, d.h. er wird niederohmig. Die bei großen Strömen nach­ teilige, da Verlustleistung erzeugende und damit den Wirkungs­ grad mindernde Restspannung über der Diode D wird minimiert und ist nur noch von dem "ON"-Widerstand des Mosfets abhängig. Bei Falschpolung sperrt die Drain/Source-Diode und auch der Mosfet sperrt, da die Drain/Gate-Spannung nach wie vor wegen der angeschlossenen Last 0 Volt beträgt.

Mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Ansprüchen festgelegt und anhand des vorstehenden Ausführungsbeispieles näher erläutert sind, ist die Möglichkeit des vollautomatischen Ladens von Akkus ge­ schaffen worden, wobei der Benutzer außer dem Anschluß der Akkus an die dafür vorgesehene Anschlüsse des Ladegerätes kei­ nerlei Einstellarbeiten vornehmen muß und wobei außerdem auch eine Falschpolung der Akkus weder für das Ladegerät noch für die Akkus nachteilige Folgen hat. Lediglich zur weiteren Er­ höhung des Komforts und um auch Sonderwünschen der Benutzer entgegenzukommen ist zusätzlich vorgesehen, daß innerhalb be­ stimmter Toleranzbereiche der Benutzer Ladeströme, -spannungen und -zeiten über eine Eingabetastatur frei wählen kann, wobei sich jedoch das Gerät auch selbsttätig vor etwaigen Fehlein­ stellungen schützt.

In vorteilhafter Weise werden dabei die Eigenschaften eines Mikroprozessors bzw. eines Mikrokontrollers ausgenutzt, in welchem in Form von Tabellen und/oder Berechnungsvorschriften Betriebsdaten und Parameter verschiedener Akkutypen und -grö­ ßen gespeichert sein können so daß nach einem bestimmten Pro­ grammablauf zunächst automatisch der Typ und die Größe des zu ladenden Akkus erfaßt wird, wobei die Identifikation über die im Prozessor gespeicherten Parameter erfolgt, solange diese in­ nerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereiches liegen, so daß dann anhand der Tabellen ein optimaler (d.h. im allgemeinen ein maximal zulässiger) Ladestrom vorgesehen werden kann.

Claims (26)

1. Verfahren zum Laden von Akkumulatoren, insbesondere von solchen für Modellbaufahrzeuge, bei welchem mittels eines Ladegerätes ein Ladestrom und/oder eine Ladespannung ein­ gestellt und die Akkumulatoren hiermit versorgt werden, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des Ladegerätes oder zugehöriger Einrichtungen Art, Typ und/oder der In­ nenwiderstand eines Akkumulators bzw. einer Reihe parallel und/oder hintereinandergeschalteter Akkumulatoren auto­ matisch festgestellt werden und daß unter Verwendung eines Mikroprozessors in Abhängigkeit von dieser Feststellung Ladestrom und/oder -spannung und/oder -dauer automatisch festgelegt und am Ausgang des Ladegerätes automatisch eingestellt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladegerät nach dem Anschluß der Akkumulatoren Kon­ takte selbsttätig den Innenwiderstand des Akkus mißt, und zwar durch, gegebenenfalls mehrfache, Entlade- und Ladevorgänge unter Kontrolle von Lade-/Entladestrom und/ oder -spannung.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Akkuzellen eine Kennung aufweisen, die mit einer Erfassungseinrichtung an einer Halterung der Akkuzellen erfaßt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Typ und Anzahl der Akkumulatorenzellen durch Einsetzen derselben in eine bestimmte, mit dem Ladegerät verbun­ dene Halterung erfaßt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ladegerät bei Konstanthaltung des Ladestromes die zeitliche Änderung der Ladespannung er­ faßt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ladegerät bei Konstanthaltung der Ladespannung die zeitliche Änderung des Ladestromes er­ faßt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in Abhängigkeit vom zeitlichen Ver­ lauf des Ladestromes oder der Ladespannung der Ladevor­ gang automatisch beendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß bei Beendigung des Ladevorganges eine Anzeigevorrichtung ausgelöst wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die richtige Polung des Akkumulators durch eine Eingangsschaltung kontrolliert und bei fal­ scher Polung eine Warneinrichtung ausgelöst wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die sich aus der Erfassung von Akku­ mulatorentyp und/oder -Anzahl ergebenden Einstellpara­ meter mit fest vorgegebenen Grenzwerten verglichen und bei Überschreitung der oberen Grenze und bei Unterschrei­ tung der unteren Grenzwerte eine Anzeige der Grenzwert­ überschreitung erfolgt und der Ladevorgang beendet oder mit den jeweiligen Parametergrenzwerten durchgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß alle Messungen mehrfach vorgenom­ men und miteinander verglichen werden.

12. Ladegerät für Akkumulatoren, insbesondere für solche von Modellbaufahrzeugen, mindestens mit einem Ausgang mit va­ riabler Ausgangsspannung bzw. variablem Ausgangsstrom, Aus­ gangsanschlüssen für die Verbindung mit Akkumulatoren und mit einem Mikroprozessor, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladegerät eine Einrichtung zum Erfassen des Typs und/oder der Kapazität und/oder des Innenwiderstandes von Akkumula­ toren aufweist und daß der Mikroprozessor eine Programmie­ rung aufweist, die in Abhängigkeit von den erfaßten Werten Ausgangsstrom, -spannung und/oder die Ladedauer einstellt.

13. Ladegerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Strom-/Spannungsversorgung eine 12-Volt-Batterie vorgesehen ist.

14. Ladegerät nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeich­ net, daß es einen Spannungswandler aufweist.

15. Ladegerät nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es mindestens eine Halterung bzw. An­ schlußbuchsen für mindestens einen Akkumulatorentyp auf­ weist.

16. Ladegerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung Sensoren zum Erfassen eines eingesetzten Akkus sowie von den Sensoren gesteuerte Schalteinrich­ tungen aufweist.

17. Ladegerät nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeich­ net, daß es Sensoren zur Erfassung des Akkumulatorentyps aufweist.

18. Ladegerät nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es eine Schaltung zum Feststellen des polrichtigen Anschlusses des Akkumulators aufweist.

19. Ladegerät nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es eine Entladeschaltung mit wählbarem Entladestrom aufweist.

20. Ladegerät nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Display zur Anzeige einge­ stellter Werte und/oder des Betriebszustandes des Lade­ gerätes und/oder des Ladezustandes des angeschlossenen Akkumulators aufweist.

21. Ladegerät nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es eine akustische Anzeigeeinrichtung aufweist, insbesondere für die Voll-Anzeige des Ladezu­ standes eines angeschlossenen Akkumulators, den nicht pol­ richtigen Anschluß desselben und für das Überschreiten vorgegebener Spannungs- und/oder Stromgrenzwerte.

22. Ladegerät nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß Eingabetasten für Eingabe von Akku­ typ und/oder Ladestrom und/oder Ladespannung sowie weite­ rer Betriebsparameter vorgesehen sind.

23. Ladegerät nach einem der Ansprüche 12 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Abschaltautomatik aufweist.

24. Ladegerät nach einem der Ansprüche 12 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß es auf der Seite der Strom-/Span­ nungsversorgung einen Überspannungsschutz aufweist.

25. Ladegerät nach Anspruch 13 und/oder einem der auf Anspruch 13 rückbezogenen Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeich­ net, daß eine Schutzschaltung gegen nicht polrichtiges An­ schließen an die 12-Volt-Batterie vorgesehen ist (Fig. 4).

26. Ladegerät nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es einen elektrisch lösch-, schreib- und lesbaren Datenspeicher H aufweist, der auch nach dem Abschalten und Wiedereinschalten des Gerätes seinen Inhalt unverändert beibehält.