DE69112801T2

DE69112801T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Laden einer Batterie.

Info

Publication number: DE69112801T2
Application number: DE69112801T
Authority: DE
Inventors: Abdessatar Kazdaghli
Original assignee: TRAVAUX ELECTR LA VARENNE SOC
Current assignee: TRAVAUX ELECTR LA VARENNE SOC
Priority date: 1990-12-21
Filing date: 1991-12-20
Publication date: 1996-05-23
Anticipated expiration: 2011-12-21
Also published as: ATE127633T1; DE69112801D1; FR2670953B1; ES2079608T3; EP0493226A1; EP0493226B1; FR2670953A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden eines Akkumulators, d. h. eines wiederaufladbaren elektrochemischen Stromerzeugers, z. B. eine Akkumulatorenbatterie, wie z. B. eine zur Versorgung eines Elektrofahrzeugs, z. B. eines Materialtransportwagens, mit elektrischer Energie bestimmte Antriebsbatterie.
Das sich im Hinblick auf das richtige Laden eines Akkumulators stellende Hauptproblem besteht darin zu wissen, genau zu welchem Zeitpunkt das Laden unterbrochen werden muß. Denn wenn das Laden zu früh unterbrochen wird, bleibt eine Heterogenität im Elektrolyten bestehen, die eine Heterogenität der Funktion der Elektroden und ein beschleunigtes Altern des unteren Teils der Elektroden zur Folge hat. Deshalb ist es immer notwendig, ein zusätzliches Laden vorzunehmen, d. h., den Akkumulator mit einer Anzahl Amperestunden zu laden, die etwas größer ist als die Anzahl Amperestunden, um die der Akkumulator entladen war, ausgedrückt durch die Entladungstiefe, die das Verhältnis zwischen dieser Anzahl entladener Amperestunden und der Nennkapazität des Akkumulators ist.
Dagegen wird, wenn das zusätzliche Laden zu lange dauert, der Akkumulator überladen. Das führt zu einer Korrosion des positiven Elektrodengitters, zu einer Zerstörung des Materials, aus dem der Akkumulator besteht, und zwar wegen der durch das Überladen hervorgerufenen Gasentwicklung, und zu einer Erhitzung des Akkumulators, die diese beiden Phänomene wie ein Katalysator beschleunigt.
Es gibt derzeit zwei Arten von Verfahren und Vorrichtungen zum Laden eines Akkumulators.
Bei der ersten bekannten Verfahrens- und Vorrichtungsart zum Laden begnügt man sich damit, eine zusätzliche Ladung anzuschließen, die einer bestimmten Ladezeit entspricht und die ab dem Augenblick unveränderlich ist, ab dem die Spannung U an den Akkumulatorklemmen einen vorbestimmten Wert erreicht, z. B. in der Größenordnung von 2,4 V pro Element, wobei angenommen wird, daß dieser zu dem Zeitpunkt erreicht wird, zu dem der Ladekoeffizient die Größenordnung 1 hat. Dieses Kriterium zur Bestimmung der zusätzlichen Ladung, gemeinhin "Zeitvoltmetrisches Kriterium" genannt, hat den Vorteil einer großen Einfachheit und daß es bei Ladevorrichtungen mit nicht geregeltem Ladestrom leicht angewandt werden kann. Während der Dauer des zusätzlichen Ladens legt man mittels einer Induktivität mit einem bestimmten Wert einen Wert für den Ladestrom I fest. Doch dieses zeitvaltmetrische Kriterium erweist sich in der Praxis als überaus unzureichend, um ein richtiges Laden der Akkumulatoren zu gewährleisten, deren charakteristische Eigenschaften beträchtlich variieren können. So müßte die vorbestimmte Schwellenspannung normalerweise vom Alter des Akkumulators und von der Temperatur abhängen, die er aufweist, wenn er geladen wird. Außerdem würde ein zusätzliches Laden mit einer festen Dauer wieder dazu führen, der Veränderung des Ladekoeffizienten (das ist das Verhältnis von der Anzahl geladener Amperestunden zu der Anzahl der anfänglich entladenen Amperestunden des Akkumulators) in Abhängigkeit von der Entladungstiefe einen hyperbelförmigen Verlauf zu geben. Aus diesem Grund wird der Ladekoeffizient für solche Akkumulatoren unzureichend, die eine große Entladungstiefe, insbesondere größer als 80%, aufweisen. Außerdem führt der Umstand, den Strom am Ende des Ladens nicht zu überwachen, zu einem zusätzlichen Fehler, der die aus dem Alter des Akkumulators und seiner Temperatur herrührenden nachteiligen Wirkungen noch verstärkt, indem eine zu große Überladung stattfindet, wenn der Akkumulator alt und/oder heiß ist, und dasselbe gilt für große Entladungstiefen - insbesondere in der Größenordnung von 80% -. Es ist somit in der Praxis notwendig, Sicherheitszeitschalter vorzusehen, die die Gesamtladedauer unabhängig vom Zeitpunkt, zu dem die Schwellenspannung festgestellt wird, begrenzen. Auf jeden Fall ist es mit diesem vereinfachten zeitvoltmetrischen Kriterium unmoglich, für die zusätzliche Ladung dem Alter, der Temperatur und der Entladungstiefe des Akkumulators Rechnung zu tragen. So führt dieses zeitvoltmetrische Kriterium bei geringen Entladungstiefen zu Überladungen, die den Akkumulator beschädigen oder seine Alterung beschleunigen können.
Bei der zweiten bekannten Verfahrens- oder Vorrichtungsart berechnet man den Wert der Ableitung dU/dt von der die Spannung in Abhängigkeit von der Zeit t beschreibenden Funktion und unterbricht die Ladung, wenn diese Ableitung einen Wert annimmt, der kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert. Dieses gemeinhin "dU/dt-Kriterium" oder "dV/dt-Kriterium" genannte Kriterium ermöglicht es, den Ladekoeffizienten auf geeignete Weise an die Entladungstiefe anzupassen. Aber es kann nur bei den stromgeregelten Ladevorrichtungen benutzt werden. Außerdem müssen die Mittel zum Messen des Wertes der Spannung U an den Akkumulatorklemmen und die Berechnung ihrer Ableitung äußerst leistungsfähig sein, denn der Schwellenwert und die für die Ableitung dU/dt am Ende des Ladens gemessenen Werte sind sehr niedrig. Denn die Kurve, die die Spannung U in Abhängigkeit von der Zeit t darstellt, verläuft am Ende des Ladens praktisch horizontal. Außerdem trägt dieses Kriterium dU/dt nicht dem Alter des Akkumulators und seiner Temperatur Rechnung. Es hat sich aber in der Praxis herausgestellt, daß der Wert der Ableitung dU/dt deutlich vom Alter des Akkumulators und der Temperatur abhängt.
Andererseits ist es in der Praxis nicht möglich, das Ende des Ladens lediglich von einem Kriterium abhängig zu machen, das auf dem Wert der Spannung U an den Akkumulatorklemmen am Ende des Ladens basiert. Denn diese Spannung U am Ende des Ladens variiert von einem zum anderen Akkumulator, insbesondere in Abhängigkeit vom Alter des Akkumulators. Dies würde dann, wenn an einem salchen Kriterium festgehalten würde, eine unterschiedliche Ladung zur Folge haben, je nachdem, ob die Batterie neu oder alt ist. Dazu würde es auch kommen, wenn die Temperatur des Akkumulators hoch oder niedrig ist. So würde ein kalter Akkumulator ungenügend geladen sein und ein heißer Akkumulator könnte überladen sein, wenn die Schwellenspannung am Ende des Ladens nicht ermittelt werden würde.
Ebenso ist es nicht möglich, einen für alle Arten von Akkumulatoren brauchbaren konstanten Ladekoeffizienten vorzusehen. Denn, wie schon oben erwähnt wurde, hängen die einem Akkumulator zuzuführende Gesamtladung und die hinzuzufügende zusätzliche Ladung (nachdem der Wert 1 für den Ladekoeffizienten erreicht worden ist) wesentlich von der Entladungstiefe, vom Alter des Akkumulators und seiner Temperatur ab.
Tatsächlich wäre das einzig richtige Kriterium, das auf sichere und zuverlässige Weise die Bestimmung der einem Akkumulator zuzuführenden Gesamtladung zulassen würde, und damit auch die des genauen Zeitpunkts, zu dem das Laden unterbrochen werden müßte, ein Kriterium elektrochemischer Art, das darin bestünde, die Dichte des Elektrolyten auf der ganzen Höhe des Akkumulators zu messen, also von unten bis oben, und die gemessenen Werte mit dem Nennwert des Akkumulators zu vergleichen. Es ist jedoch offensichtlich, daß ein solches elektrochemisches Kriterium nicht bei einer elektrischen Ladevorrichtung zur Anwendung kommen kann.
In dem Dokument EP-A-0 005 841 ist ein Verfahren zum Laden eines Akkumulators beschrieben, bei dem der Strom, die Spannung und die Ladezeit ständig gemessen werden. Man bestimmt ständig den Wert der Ableitung der Spannung fest und man speichert diese Größen in Mitteln zur permanenten Speicherung von Momentanwerten. Man ermittelt den Höchstwert der Steigung der Spannungskurve, berechnet die zusätzliche Ladung, die nach der Ermittlung des als Höchstwert der Steigung ermittelten Wertes dem Akkumulator zugeführt werden soll, und man beendet das Laden des Akkumulators, wenn die zugeführte Ladung den Wert der zusätzlichen, in Abhängigkeit von der Art des Akkumulators berechneten Ladung erreicht.
In dem Dokument US-A-4 052 656 wird vorgeschlagen, den Wendepunkt der Spannung zu ermitteln, um den Betrag der zusätzlich zuzuführenden Ladung zu bestimmen. Hierzu bestimmt man annähernd den Wert der dem Akkumulator während der Schnelladephasen zugeführten Ladung und leitet daraus die Dauer dieser zusätzlichen Ladung ab.
In dem Dokument US-A-4 433 277 wird vorgeschlagen, wenn eine Schwellenspannung erreicht ist, den Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem der Akkumulator bis auf ein vorgegebenes Niveau aufgeladen ist. Die Zeit für die Überladung wird so gewählt, daß ein vorbestimmter Betrag der Überladung erhalten wird.
In dem Dokument DE-A-3 832 840 wird ein Beispiel für das Integrieren des Betrages der Ladung und der Entladung gegeben, wie dies aus vielen anderen Dokumenten aus diesem technischen Gebiet bekannt ist.
Die Erfindung zielt folglich darauf ab, diese Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, und schlägt hierzu ein Verfahren und eine Vorrichtung zum elektrischen Laden eines Akkumulators vor, mit denen der Betrag der zusätzlichen Ladung und somit die dem Akkumulator zuzuführende Gesamtladung und folglich der genaue Zeitpunkt bestimmt werden kann, zu dem das Laden unterbrochen werden muß, unter Berücksichtigung der anfänglichen Entladungstiefe des Akkumulators, des Alters des Akkumulators und der Temperatur, bei der das Laden durchgeführt wird. Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein solches Verfahren zum Laden vorzuschlagen, das mit einer elektrischen Ladevorrichtung durchgeführt werden kann (das also nur elektrische Größen erhält oder abgibt), und nicht notwendigerweise ladestromgeregelt ist. Aufgabe der Erfindung ist es aber auch, eine elektrische Ladevorrichtung vorzuschlagen, die entweder ladestromgeregelt oder, in einfacher Ausführung, nicht ladestromgeregelt ist und die die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ermöglicht.
Ziel der Erfindung ist es auch, ein solches Verfahren und eine solche elektrische Ladevorrichtung vorzuschlagen, die äußerst einfach sind und deren Benutzung und Herstellung nur geringe Kosten verursachen.
Schließlich ist es auch Ziel der Erfindung, ein Verfahren und eine elektrische Ladevorrichtung vorzuschlagen, die immer dann nach jedem normalen Laden die Durchführung eines Ausgleichs des Akkumulators ermöglichen, wenn dies notwendig ist. Ein solcher Ausgleich eines Akkumulators besteht darin, den Akkumulator während einer bestimmten Dauer jeweils über das normalerweise notwendige Laden als auch zusätzliche Laden hinaus am Ladestrom angeschlossen zu lassen, und zwar inbesondere mit dem Ziel, den Elektrolyt und die Elektroden auf der ganzen Höhe des Akkumulators zu homogenisieren. Ein solcher Ausgleich muß regelmäßig durchgeführt werden, während im Stand der Technik die Zweckmäßigkeit der Durchführung einer solchen Maßnahme der Entscheidung des Benutzers überlassen bleibt. Das den Ausführungsformen entsprechende Verfahren sowie die diesen entsprechende Vorrichtung zielen somit darauf ab, jedesmal, wenn dies notwendig ist, eine Ausgleichsphase automatisch und systematisch auszuführen.
Hierfür betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Laden eines Akkumulators, bei dem man ständig den Ladestrom I, die Spannung U an den Klemmen des Akkumulators und die Ladezeit t mißt, ständig den Wert der Ableitung dU/dt und den Wert der zur Zeit t schon zugeführten Ladung Ah(t) bestimmt, diese Größen in Mitteln zur permanenten Speicherung van Momentanwerten speichert, man den absoluten Höchstwert Pm der Steigung der Kurve ermittelt, welche den Wert der Spannung U in Abhängigkeit von der Zeit t darstellt, man die Gesamtladung An berechnet, die nach der Ermittlung und entsprechend dem ermittelten absoluten Höchstwert Pm der Steigung der Kurve U(t) dem Akkumulator zugeführt werden soll, und man das Laden des Akkumulators beendet, wenn die zugeführte Ladung Ah(t) den in Abhängigkeit von dem ermittelten Wert von Pm berechneten Wert der Gesamtladung Ah erreicht.
Vorzugsweise ermittelt man den absoluten Höchstwert Pm der Gesamtsteigung der geglätteten Kurve, die den Wert der Spannung U in Abhängigkeit von der Zeit t nach der Beseitigung der Störsignale mit relativ schwacher Amplitude und relativ hoher Frequenz darstellt.
Denn man weiß, daß die Funktion U(t) zum Zeitpunkt t einen Wendepunkt aufweist, der ungefähr einem Ladekoeffizienten in der Größenordnung von 0,8 entspricht. Die Erfinder haben auch festgestellt, daß der Steigungswert Pm der die Spannung U(t) darstellenden Kurve in diesem Wendepunkt ein geeignetes Bild vom Alter und der Temperatur des Akkumulators abgibt. Außerdem hängt dieser Wert Pm auch von der Entladungstiefe ab.
Entsprechend einer Ausführungsform berechnet man die dem Akkumulator zuzuführende Gesamtladung Ah ebenfalls in Abhängigkeit vom Wert der bereits zur Zeit ti zugeführten Ladung Ah(ti), wo die Gesamtsteigung der Kurve U(t) den Wert Pm/i annimmt, nachdem sie den Höchstwert Pm durchschritten hat, wobei i eine willkürlich gewählte ganze Zahl ungleich Null ist. Denn die Erfinder haben festgestellt, daß die anfängliche Entladungstiefe annähernd in Abhängigkeit von dieser schon zugeführten Ladung Ah(ti) bestimmt werden kann. Folglich bestimmt man annähernd die Entladungstiefe PdD des Akkumulators mit der Formel PdD = q Ah(ti)/C, wo C die Nennkapazität der Batterie und q ein in Abhängigkeit von der Erfahrung und/oder der Art des Akkumulators willkürlich gewählter Koeffizient ist. Und um die dem Akkumulator zuzuführende Gesamtladung Ah zu bestimmen, wendet man eine Formel an, die entsprechend dem so bestimmten Wert der Entladungstiefe PdD variiert.
Nach dem Ermitteln eines Höchstwertes der Gesamtsteigung der Kurve U(t) (d. h. eine Verringerung dieser Steigung nach diesem Wert), wird dieser Wert als absoluter Höchstwert Pm gespeichert, wird der Momentanwert der Steigung weiterhin überwacht, wird der gespeicherte Pm-Wert durch einen ermittelten neuen Wert ersetzt, wenn die Gesamtsteigung wieder über den gespeicherten Wert hinaus zunimmt, und wird die zuzuführende Gesamtladung An berechnet, wobei diese Berechnung nach der Ermittlung der Zeit tn erfolgt, wo die Gesamtsteigung der Kurve U(t) den Wert Pm/n annimmt, wobei n eine nach Erfahrung und/oder Art des Akkumulators willkürlich gewählte ganze Zahl ungleich Null ist, allerdings in der Weise, daß man sicher ist, daß der letzte gespeicherte Höchstwert der Steigung tatsächlich dem absoluten Höchstwert Pm entspricht. Ebenso bestimmt man die Gesamtladung Ah nach einer Formel:
Ah = K Aho
wobei Aha die zur Zeit tn zugeführte Ladung und K ein Koeffizient ist, der sich je nach dem Wert von Pm und dem von Ah(ti) oder von PdD ändert. K ändert sich treppenförmig entsprechend dem Wert von Pm bei konstantem Ah(ti) oder PdD. Ebenso ändert sich K treppenförmig entsprechend dem Wert von Ah(ti) oder PdD bei konstantem Pm.
Um die Störsignale von U(t) mit relativ schwacher Amplitude und relativ hoher Frequenz zu beseitigen, führt man eine numerische Glättung an den gemessenen Werten U(t) durch, indem man für jeden Zeitpunkt t einen Durchschnitt der Werte von U(t) in einem symmetrisch um t liegenden Zeitabschnitt δt bestimmt, dessen Wert größer ist als die Periode dieser Signale.
Außerdem wird ein Ausgleichs-Ladezyklus durchgeführt, wenn der Wert der zur Zeit tn gemessenen Spannung U kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert Us ist und/oder wenn der Pm-Wert kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist, indem die Gesamtladung Ah um eine für den Ausgleich bestimmte Dauer Te verlängert wird.
Die Erfindung betrifft auch eine (elektrische) Vorrichtung zum Laden eines Akkumulators entsprechend einem erfindungsgemäßen Verfahren, die durch folgende Mittel gekennzeichnet ist: Mittel zum Liefern einer Ladespannung; Mittel zum ständigen Messen des Ladestroms I, der Spannung U an den Klemmen des Akkumulators und der Ladezeit t; Mittel zum Speichern dieser Werte in regelmäßigen Zeitabständen; mit Mikroprozessor programmierte Berechnungsmittel zum Ermitteln des absoluten Höchstwertes Pm der Steigung der Kurve U(t) und zum Berechnen der in Abhängigkeit von dem ermittelten Wert von Pm zuzuführenden Gesamtladung Ah; Mittel zum automatischen Unterbrechen des Ladevorgangs, wenn die Gesamtladung Ah zugeführt worden ist. Die mit Mikroprozessor programmierten Berechnungsmittel umfassen Mittel zum numerischen Glätten der Kurve U(t). Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt Mittel zum Speichern und zum Erfassen der zum Berechnen der Gesamtladung Ah entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren notwendigen Koeffizienten und Zahlen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und ebenso die Ladevorrichtung ermöglichen es, jede Art von Akkumulator auf geeignete Weise zu laden, unabhängig von dessen Alter, Temperatur und Entladungstiefe, ohne hierfür eine Regelung des Ladestroms oder leistungsfähige Mittel zum Messen zu benötigten. Außerdem kann man mit einem Verfahren und einer Vorrichtung entsprechend den Ausführungsformen dem Benutzer am Ende des Ladens die Werte der anfänglichen Entladungstiefe und den Zustand der jeweils aufgeladenen Batterie (neu, guter Zustand oder alt) liefern. Ebenso wird ein Ausgleichzyklus automatisch durchgeführt, sobald dieser zweckmäßig ist. In einer Variante kann eine Kontrollanzeige den Benutzer über die Notwendigkeit der Durchführung dieses von ihm auszulösenden Ausgleichzyklus' informieren.
Andere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht, von denen:
- Fig. 1 ein Diagramm ist, das den Verlauf der theoretischen Kurve zeigt, die die Spannung U an den Klemmen des Akkumulators in Abhängigkeit vom Ladekoeffizienten wiedergibt;
- Fig. 2 ein Diagramm ist, das den Verlauf der Kurven zeigt, die den durch elektrochemische Messungen in Abhängigkeit von der Entladungstiefe PdD und entsprechend dem Alter des Akkumulators bestimmten optimalen Ladekoeffizienten darstellen;
- Fig. 3 ein Diagramm ist, das eine experimentelle Kurve C1 zeigt, die die an den Klemmen des Akkumulators in Abhängigkeit von der Zeit t gemessene Momentanspannung U(t) darstellt, und das die Kurve C2 zeigt, die diese Spannung U(t) nach numerischer Glättung darstellt;
- Fig. 4 ein Diagramm ist, das die experimentelle Kurve zeigt, die die Ableitung dU/dt der Spannung U in Abhängigkeit von der Zeit t aus der Fig. 3 darstellt;
- Fig. 5 ein Diagramm ist, das experimentellen Kurven zeigt, die die Veränderungen der absoluten Maximalsteigung Pm der Kurve U(t) in Abhängigkeit von der Entladungstiefe PdD und entsprechend dem Alter des Akkumulators darstellen;
- Fig. 6 ein Diagramm ist, das experimentelle Kurven zeigt, die die Veränderungen der Spannung U(tn) zur Zeit tn zeigen, wo die Gesamtsteigung der Kurve U(t) den Wert Pm/n in Abhängigkeit von der Entladungstiefe PdD und entsprechend dem Alter des Akkumulators annimmt;
- Fig. 7 ein Diagramm ist, das die verschiedenen Schritte eines Verfahrens bis zur Berechnung der dem Akkumulator zuzuführenden Ladung Ah entsprechend einer Ausführungsform zeigt;
- Fig. 8 ein Organigramm ist, das detaillierter den Schritt der Berechnung der dem Akkumulator zuzuführenden Ladung Ah sowie die nachfolgenden Schritte eines einer Ausführungsform entsprechenden Verfahrens zeigt;
- Fig. 9 ein Blockschaltbild ist, das den funktionsgemäßen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, um einen Akkumulator 1 auf geeignete Weise unter Beachtung des Alters, der Temperatur und der Entladungstiefe dieses Akkumulators 1 zu laden.
In der gesamten vorliegenden Anmeldung wird der Ausdruck "Akkumulator" dazu benutzt, um entweder ein Akkumulatorelement oder eine ganze Akkumulatorenbatterie zu bezeichnen, die jeweils geladen werden sollen. Der Ausdruck "Ladung" bezeichnet ganz allgemein die dem Akkumulator im Verlauf des Ladeverfahrens zugeführte Anzahl Amperestunden, d. h. während der Zeit, während der der Akkumulator 1 mit der Ladevorrichtung 2 verbunden ist. Dieser Ausdruck kann dennoch auch dazu benutzt werden, um den Vorgang zu bezeichnen, der darin besteht, das Verfahren anzuwenden, d. h. dem Akkumulator einen Ladestrom zuzuführen.
Die Ausdrücke "Ladekoeffizient", "Entladungstiefe" und "zusätzliche Ladung", bezeichnen die üblichen, im Bereich der Technik bekannten Begriffe, nämlich:
- Ladekoeffizient: Anzahl der durch Wiederaufladen gespeicherten Amperestunden, geteilt durch die Anzahl Amperestunden, um die der Akkumulator zu Beginn des Ladens entladen war;
- Entladungstiefe: Anzahl Amperestunden, um die der Akkumulator seit der letzten vollständigen Ladung entladen ist, geteilt durch die Nennkapazität des Akkumulators, ausgedrückt in Prozent;
- zusätzliche Ladung: Anzahl Amperestunden, die ab dem Moment, ab dem der Ladekoeffizient gleich 1 ist, zuzuführen ist, um die notwendige Gesamtladung Ah zu erhalten.
In der Fig. 1 kann man sehen, daß die theoretische Kurve, die die Spannung U an den Klemmen des Akkumulators in Abhängigkeit vom Ladekoeffizienten und damit von der Zeit ausdrückt, sich entsprechend der Temperatur ändert. Man kann auch daraus ableiten, daß die die theoretische Funktion U(t) darstellende Kurve einen Wendepunkt besitzt, wo die Steigung P dieser Kurve einen absoluten Höchstwert Pm aufweist. Außerdem hängt der Wert dieser absoluten maximalen Steigung Pm auch von der Temperatur des Akkumulators 1 ab.
In der Fig. 2 sieht man auch, daß der zum geeigneten Laden eines Akkumulators theoretisch notwendige Ladekoeffizient einerseits stark von der Entladungstiefe PdD und andererseits vom Alter des Akkumulators 1 abhängt. Und in der Fig. 5 sieht man auch, daß der Wert der absoluten maximalen Steigung Pm der U(t) darstellenden Kurve auch von der Entladungstiefe PdD und vom Alter des Akkumulators 1 abhängt. Genau deshalb bestimmt man in einem erfindungsgemäßen Verfahren die dem Akkumulator 1 zuzuführende Gesamtladung Ah in Abhängigkeit vom absoluten Höchstwert Pm der alle Bedingungen und Werte, die sich auf die Ladezeit t auswirken, wie im ganzen Text erwähnt ist, entsprechen den echten Zeitwerten t nach der Korrektur der durch die numerische Glättung hervorgerufenen zeitlichen Verschiebung.
Im gesamten Text der vorliegenden Anmeldung bezeichnet der Ausdruck "Gesamtsteigung" die Steigung der U(t) darstellenden Kurve C2, die nach der Beseitigung der Störsignale mit relativ schwacher Amplitude und relativ hoher Frequenz, z. B. durch numerische Glättung, wie zuvor erläutert, gemessen wird.
Der absolute Höchstwert Pm der Gesamtsteigung der Kurve U(t) im Wendepunkt liefert eine gute Vorstellung vom augenblicklichen Zustand des Akkumulators bezüglich Temperatur, Alter und Entladungstiefe. Dennoch berechnet man, um auf noch genauere Weise die Entladungstiefe PdD des Akkumulators 1 zu berücksichtigen, die Gesamtladung Ah auch in Abhängigkeit vom Wert der zu der Zeit ti schon zugeführten Ladung Ah(ti), wo die Gesamtsteigung der U(t) darstellenden Kurve den Wert Pm/i annimmt, wobei i eine willkürlich gewählte ganze Zahl ungleich Null ist. Denn die zu der Zeit ti schon zugeführte Ladung Ah(ti) ermöglicht es, einen guten Näherungswert von der Entladungstiefe PdD zu erhalten. Die Entladungstiefe PdD des Akkumulators bestimmt man annähernd durch die Formel:

PdD = q Ah(ti)/C

wobei C die Nennkapazität des Akkumulators und q ein in Abhängigkeit von der Erfahrung und/oder der Art des Akkumulators willkürlich gewählter Koeffizient ist. Um die dem Akkumulator zuzuführende Gesamtladung Ah zu berechnen, benutzt man eine Formel, die sich entsprechend dem so bestimmten Näherungswert der Entladungstiefe PdD verändert. Folglich berechnet man die dem Akkumulator zuzuführende Gesamtladung Ah auch direkt in Abhängigkeit vom ermittelten Näherungswert der anfänglichen Entladungstiefe PdD.
Man kann i = 1 wählen, d. h., die Entladungstiefe PdD annähernd in Abhängigkeit von der zur Zeit ti schon zugeführten Ladung Ah(ti) bestimmen, die dem Wendepunkt entspricht, wo die Gesamtsteigung der U(t) darstellenden Kurve maximal Pm ist. In einem solchen Fall weiß man nämlich, daß zu der diesem Wendepunkt entsprechenden Ladezeit ti die schon zugeführte Ladung Ah(ti) ungefähr 80% der durch Entladung vom Akkumulator abgegebenen Anzahl Amperestunden entspricht, bevor dieser wieder geladen wird.
Dementsprechend weist die wirkliche gemessene Kurve U(t), wie man in den Fig. 3 und 4 sehen kann, tatsächlich mehrere Wendepunkte in ihrem Abschnitt mit großer Steigung auf. Erfindungsgemäß wird die dem Akkumulator zuzuführende Gesamtladung in Abhängigkeit von der absolut maximalen Steigung Pm bestimmt, d. h. in dem Wendepunkt, wo diese Steigung am größten ist. Daher wird dieser Wert, nachdem ein Höchstwert der Gesamtsteigung P der Kurve U(t) Gesamtsteigung der U(t) darstellenden Kurve, d. h. den Wert der Steigung P dieser Kurve in ihrem theoretischen Wendepunkt. Auf diese Weise berücksichtigt man zur Bestimmung der Gesamtladung Ah sowohl die Entladungstiefe, als auch die Temperatur und das Alter des Akkumulators.
Die Erfindung betrifft alsa ein Verfahren zum Laden eines Akkumulators 1, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man ständig den Ladestrom I, die Spannung U an den Klemmen des Akkumulators 1 und die Ladezeit t mißt, ständig den Wert der Ableitung dU/dt der Funktion U(t) und den Wert der zur Zeit t schon zugeführten Ladung Ah(t) bestimmt, man die Größen I, U, t dU/dt, Ah(t) in Mitteln zur permanenten Speicherung von Momentanwerten speichert, man den absoluten Höchstwert Pm der Steigung der Kurve ermittelt, welche den Wert der Spannung U in Abhängigkeit von der Zeit t darstellt, man die Gesamtladung Ah berechnet, die nach der Ermittlung und entsprechend dem ermittelten absoluten Höchstwert Pm der Steigung der Kurve U(t) dem Akkumulator 1 zugeführt werden soll, und man das Laden des Akkumulators beendet, wenn die zugeführte Ladung Ah(t) den in Abhängigkeit von dem ermittelten Wert von Pm berechneten Wert der Gesamtladung Ah erreicht.
Wie in Fig. 3 zu sehen ist, folgt der von der Kurve C1 dargestellte gemessene Momentanwert U(t) nicht nur dem Verlauf der in der Fig. 1 dargestellten theoretischen Kurve, sondern weist in der Praxis Signale mit schwacher Amplitude (kleiner als 0,1 V) und relativ hoher Frequenz (größer als 0,001 Hz) auf. Somit ist es vorteilhaft, die von U(t) gemessenen Werte, d. h. die Signale mit relativ schwacher Amplitude und relativ hoher Frequenz, zu beseitigen, wenn man will, daß die Berechnung der Ableitung dU/dt wirklich für die Gesamtsteigung der Kurve U(t) repräsentativ sein soll, damit der theoretische Wendepunkt und die absolut maximale Steigung Pm ermittelt werden können. Hierzu kann man eine Frequenzfilterung oder, vorzugsweise im Hinblick auf den sehr geringen Wert der Schwellenfrequenz, eine numerische Glättung durchführen. Um die Störsignale mit relativ schwacher Amplitude und relativ hoher Frequenz aus der U(t) darstellenden Kurve zu beseitigen, führt man also eine numerische Glättung bei den gemessenen Werten U(t) durch, indem für jeden Zeitpunkt t ein Durchschnitt der Werte von U(t) in einen symmetrisch um t liegenden Zeitabschnitt δt gebildet wird, dessen Wert größer ist als die Periode dieser Signale. Z. B. ist der Glättungszeitabschnitt δt kleiner oder gleich 20 min. Ein solches numerisches Glättungsverfahren der gemessenen Werte ist schon aus dem Stand der Technik bekannt und wird deshalb in der vorliegenden Anmeldung nicht detaillierter beschrieben. Die numerische Glättung der Kurve C1 führt zu der Kurve C2. Man wird feststellen, daß bei der Durchführung einer solchen numerischen Glättung durch aufeinanderfolgende Durchschnitte um jeden Zeitpunkt t herum, wo der Wert gemessen wird, um einen Punkt der Kurve zu erhalten, notwendigerweise in der U(t) darstellenden Kurve zu einer zeitlichen Verschiebung führt. Selbstverständlich wird diese zeitliche Verschiebung in der Berechnung der dem Akkumulator zuzuführenden Gesamtladung Ah berücksichtigt, und (der einer Verringerung dieser Gesamtsteigung P nach einer Vergrößerung entspricht) festgestellt worden ist, als absoluter Höchstwert Pm gespeichert, wird der Momentanwert P der Gesamtsteigung weiterhin überwacht, wird der gespeicherte Pm-Wert durch einen ermittelten neuen Wert ersetzt, wenn die Gesamtsteigung P aufs Neue über den zuvor gespeicherten Wert hinaus zunimmt und wird die zuzuführende Gesamtladung Ah (oder die noch zuzuführende Ladung Ahf) berechnet, nachdem die Zeit tn festgestellt worden ist, wo die Gesamtsteigung P der Kurve U(t) aufs Neue bis auf den Wert Pm/n abnimmt, wobei n eine aufgrund der Erfahrung und/oder der Art des Akkumulators willkürlich gewählte ganze Zahl ungleich Null ist, allerdings in der Weise, daß man sicher ist, daß der letzte gespeicherte Höchstwert der Gesamtsteigung P tatsächlich dem gesuchten absoluten Höchstwert Pm entspricht. Denn wenn der Wert der Gesamtsteigung P bis zum Wert Pm/n abnimmt, wobei Pm der größte zuvor ermittelte Steigungswert ist, ist man sicher, daß dieser zuvor festgestellte Wert Pm wegen des Verlaufs der die Gesamtsteigung P in Abhängigkeit von der Zeit (Fig. 4) darstellenden Kurve tatsächlich dem gesuchten absoluten Höchstwert Pm entspricht. Hierzu wählt man generell n größer oder gleich 2. Wenn man den Punkt A erreicht, wo die Gesamtsteigung P den Wert Pm/n annimmt, weiß man nämlich, daß der zuvor gespeicherte Wert von Pm tatsächlich dem absoluten Höchstwert der Gesamtsteigung P entspricht.
Die dem Akkumulator zuzuführende Gesamtladung wird nur dann berechnet, wenn der absolute Höchstwert Pm der Gesamtsteigung der Kurve U(t) tatsächlich und auf sichere Weise ermittelt worden ist, d. h. nach der Zeit tn. Dies bedeutet somit, daß das in der Fig. 8 schematisch dargestellte Verfahren zur Berechnung der Gesamtladung Ah erst nach der Ermittlung der Zeit tn ausgeführt wird, d. h. erst nach der Feststellung der Tatsache, daß die Gesamtsteigung P bis zum Wert Pm/n abnimmt, nachdem sie den Wert Pm durchschritten hat.
Das Verfahren beginnt mit einem Schritt 4, in dem die Zähler und Speicher auf Null zurückgestellt werden. In einem Verfahren gemäß der Fig. 7 wird im Schritt 3 ständig der Ladestrom I, die Spannung U an den Klemmen des Akkumulators und die Ladezeit t gemessen. In diesem Schritt 3, der ständig ausgeführt wird, d. h. für jede Zeit t, zu der U, I, t, gemessen wird, wird auch ständig der Wert der Ableitung dU/dt der Funktion U(t) und der Wert der zur Zeit t schon zugeführten Ladung Ah(t) bestimmt, und es werden alle diese Größen I, U, t, dU/dt, Ah(t) in Mitteln zur permanenten Speicherung für diese Momentanwerte gespeichert.
Die Ableitung dU/dt der Funktion U(t) wird für jeden Zeitpunkt t der Messung auf numerische Art und Weise oder mittels Software oder auf elektronische Art und Weise bestimmt. Man berechnet auch auf numerische Weise, mittels Software oder auf elektronische Weise den Wert der zur Zeit t schon zugeführten Ladung Ah(t). Hierzu wird das Produkt der gemessenen Momentanwerte des Ladestroms I und der Ladezeit t im Zeitverlauf kumuliert. So wird Ah(t) durch das Integral van null bis T des Produktes I(t) x t ausgedrückt.
Es wird auch für jede Zeit t, zu der gemessen wird, die zuvor beschriebene numerische Glättung durchgeführt, indem ein Durchschnitt der Werte von U(t) im symmetrisch um t liegenden Zeitabschnitt δt gebildet wird. Der so erhaltene geglättete Wert van U(t) wird gespeichert, um aus der gemessenen Kurve C1 der Fig. 3 die in derselben Fig. dargestellte geglättete Kurve C2 zu erhalten.
Die berechnete Ableitung dU/dt wird aus den nach der numerischen Glättung erhaltenen Werten von U(t) gebildet, d. h. nach der Beseitigung der Störsignale mit relativ schwacher Amplitude und relativ hoher Frequenz. Die berechnete Ableitung dU/dt ist somit diejenige der Funktion U(t), die von der geglätteten Kurve C2 in der Fig. 3 dargestellt wird.
Wenn dieser Steigungswert nicht erreicht wird, wird das Verfahren mit dem Schritt 3 des Messens und des Speicherns fortgesetzt. Nach dem Schritt 3 des Messens und Speicherns ermittelt man durch die Abfrage 5 das Vorhandensein eines Steigungs-Höchstwertes Pm. Diese Ermittlung erfolgt durch Vergleich des zur Zeit t-1 berechneten Werts (d. h. zu der der laufenden Zeit t vorausgehenden Zeit) mit den jeweils zur laufenden Meß-Zeit t und zur sozusagen zweimal davorliegenden Meß-Zeit t-2 (d. h. der Zeit t-1 vorausgehend) erhaltenen Werte. Wenn die beiden für diese zwei Zeiten erhaltenen Werte P(t-2) und P(t) kleiner sind als diejenigen zur vorhergehenden Zeit P(t-1), entspricht der Wert P zur Zeit t-1 einem Maximum und wird dann im Schritt 6 als Steigungs-Höchstwert Pm gespeichert. Die diesem Höchstwert entsprechende Zeit t-1 wird auch gespeichert.
Die Werte von P entsprechen denjenigen, die durch die Berechnung der Ableitung dU/dt erhalten wurden, wobei die Berechnung zu jedem Zeitpunkt t anhand der durch die numerische Glättung erhaltenen Werte von U(t) ausgeführt wird. Nach dem Schritt 6 des Speicherns des Höchstwertes oder nach der Abfrage 5, wenn diese nicht die Ermittlung eines Höchstwertes ermöglicht, wird in 39 eine Abfrage mit dem Ziel durchgeführt, den Wert der Zeit ti zu ermitteln, für den die Gesamtsteigung den Wert Pm/i annimmt. Diese Abfrage erfolgt mit dem Wert der Steigung zur Zeit t-1, die der laufenden Zeit t vorausgeht. Denn man muß diese Zeit ti ermitteln können, selbst wenn man die natürliche ganze Zahl i willkürlich gleich 1 gewählt hat. In dem Fall, wo man einen Wert der Steigung für die Zeit t-1 ermittelt, der Pm/i entspricht, speichert man die entsprechende Zeit ti und den Wert Ah(ti), der danach die näherungsweise Berechnung der Entladungstiefe ermöglicht. Dieses Speichern erfolgt im Schritt 40. Nach dem Schritt 40 des Speicherns oder nach der Abfrage 39, wenn diese nicht die Ermittlung der Zeit ti ermöglicht, wird die Abfrage 8 durchgeführt, die es ermöglicht, sich zu vergewissern, daß der zuvor gespeicherte Pm-Wert ein absoluter Höchstwert ist oder nicht. Man vergleicht dann P(t) mit diesem Pm-Wert. Wenn der Wert der Gesamtsteigung P größer wird als dieser gespeicherte Pm-Wert, entspricht der gespeicherte Wert nicht dem absoluten Höchstwert der Gesamtsteigung. Man wiederholt daher in diesem Fall das Verfahren ab dem Schritt 3 mit dem Messen und Speichern. Andernfalls, wenn der nach dem Speichern eines Höchstwertes Pm erhaltene Wert der Gesamtsteigung P immer kleiner als dieser Höchstwert Pm bleibt, hat man genau einen absoluten Höchstwert der Steigung ermittelt und macht dann weiter mit der Ermittlung der Zeit tn, bei der die Steigung P wegen der Abfrage 10 den Wert Pm/n annimmt. Wenn die Steigung P(t) nicht den Wert Pm/n annimmt, wird das Verfahren einfach beim Schritt 3 mit dem Messen und Speichern fortgesetzt. Andernfalls speichert man für die erste Zeit der Messung tn, wo die Gesamtsteigung P kleiner oder gleich Pm/n wird, d. h. wo die Abfrage 10 erfüllt ist, im Schritt 11 diesen Wert der Zeit tn und den nach der numerischen Glättung der Spannung U(tn) erhaltenen Wert und macht dann mit dem Schritt 9 weiter, genauer gesagt mit der Berechnung der in der Fig. 8 dargestellten Gesamtladung Ah.
Die natürliche ganze Zahl i unterscheidet sich von n und, noch genauer, i ist kleiner als n. Denn man muß mit der Berechnung der zuzuführenden Gesamtladung Ah weitermachen können, sobald man die Zeit tn erreicht, wo man weiß, daß man den absoluten Höchstwert Pm der Gesamtsteigung ermittelt hat.
Nach dem Schritt 11 des Speicherns von tn und von U(tn), wird nun (Fig. 8) der gespeicherte Wert Ah(ti) im Schritt 13 gelesen, dann wird im Schritt 14 durch Anwendung der zuvor angegebenen Formel annähernd die Entladungstiefe PdD berechnet.
Man berechnet die dem Akkumulator 1 zuzuführendene Gesamtladung Ah nach einer Formel:
Ah = K Aho
wo Aho die zur Zeit tn zugeführte Ladung und K ein Koeffizient ist, der sich gemäß dem Wert von Pm und dem von Ah(ti) oder der Entladungstiefe PdD ändert. Der Wert des Koeffizienten K wird durch Berechnung entsprechend den ermittelten Werten von Pm und dem berechneten Wert von Ah(ti) oder von PdD bestimmt. Es wird eine treppenförmige Veränderung des Koeffizienten K in Abhängigkeit vom Wert von Pm für Ah(ti) oder konstantem PdD vorgesehen. Ebenso ändert sich K treppenförmig gemäß dem Wert von Ah(ti) oder von PdD bei konstantem Pm.
Wenn die im Schritt 14 näherungsweise berechnete Entladungstiefe PdD kleiner als ein entsprechend der Erfahrung und/oder der Art des Akkumulators willkürlich gewählter Wert r ist, wird die zuzuführende Gesamtladung Ah noch genauer nach der Formel bestimmt:
Ah = k1 Aho wenn Pm > x
Ah = k2 Aho wenn Pm ≤ x
wo x, k1, k2 willkürlich nach der Erfahrung und/oder der Art des Akkumulators gewählte Werte sind. Ebenso wird, wenn die näherungsweise berechnete Entladungstiefe PdD größer oder gleich einem willkürlich nach der Erfahrung und/oder der Art des Akkumulators gewählten Wert s ist, die zuzuführende Gesamtladung Ah nach der Formel bestimmt:
Ah = k3 Aho wenn Pm > y
Ah = k4 Aho wenn z < Pm ≤ y
Ah = k5 Aho wenn Pm ≤ z
wo y, z, k3, k4, k5 willkürlich nach der Erfahrung und/oder der Art des Akkumulators gewählte Werte sind.
Man wählt r = s und hat - in der Fig. 8 - den Fall dargestellt, wo r = s = 50% ist. So wird die Abfrage 15 nach der näherungsweisen Berechnung von PdD ausgeführt, wobei die Abfrage 15 darin besteht festzustellen, ob der berechnete Wert von PdD kleiner als 50% ist oder nicht. Wenn dies der Fall ist, vergleicht man dann den zuvor gespeicherten Wert Pm mit einem vorbestimmten Wert x in 16. Wenn Pm größer als x ist, wendet man die Formel Ah = k1 Aho im Schritt 17 an. Wenn Pm nicht größer ist als x, wendet man die Formel Ah = k2 Aho im Schritt 18 an. In dem Fall, wo PdD nicht kleiner als 50% ist, wird die Abfrage 19 ausgeführt, die darin besteht, festzustellen, ob Pm größer als y ist. Wenn dies der Fall ist, wendet man die Formel Ah = k3 Aho im Schritt 20 an. Wenn dies nicht der Fall ist, wird eine neue Abfrage 21 ausgeführt, die darin besteht festzustellen, ob Pm größer als z ist oder nicht. Falls dies zutrifft, wendet man die Formel Ah = k4 Aho im Schritt 22 an. Falls dies nicht zutrifft, wendet man die Formel Ah = k5 Aho im Schritt 23 an.
Selbstverständlich ist z < y. Und erfindungsgemäß ist auch y < x. Bei jedem der Schritte 17, 18, 20, 22, 23 zur Berechnung der Gesamtladung Ah nach einer geeigneten Formel speichert man gleichzeitig den so berechneten Wert. Ab dieser Zeit tn, wo man den Wert der zuzuführenden Gesamtladung Ah berechnet hat, wird bei den nachfolgenden Schritten das Ende des Ladens überwacht. Folglich wird im Schritt 24 für jede Zeit der Messung nach der Berechnung der Gesamtladung Ah der berechnete und gespeicherte Wert der dem Akkumulator schon zugeführten Ladung Ah(t) gelesen und bei der Abfrage 25 diese schon zugeführte Ladung Ah(t) mit der zuzuführenden Gesamtladung Ah verglichen. Wenn Ah(t) nicht größer oder gleich Ah ist, wird das Verfahren für jede nachfolgende Zeit bei Schritt 24 fortgesetzt, indem zuvor der Schritt 3 des Messens und Speicherns und der numerischen Glättung durchgeführt wird. Andernfalls, wenn man einen Wert der schon zugeführten Ladung Ah(t) feststellt, der größer oder gleich der berechneten Gesamtladung Ah ist, kann man das Verfahren zum Laden abbrechen.
Doch zuvor stellt man fest, ob es notwendig ist oder nicht, einen Zyklus zum Ausgleichen des Akkumulators durchzuführen. Hierzu wird die Abfrage 26 ausgeführt, die darin besteht festzustellen, ob der Wert der im Schritt 12 gespeicherten Spannung U(t), die zur Zeit tn abgegriffen wurde, wo man die Gesamtladung Ah berechnet hat, größer oder nicht größer als ein vorher in Abhängigkeit von der Erfahrung und/oder dem Akkumulator willkürlich gewählter Schwellenwert Us ist. Folglich wird ein Zyklus für eine Ausgleichsladung durchgeführt, wenn der Wert der zum Zeitpunkt tn (nach der numerischen Glättung) gemessenen Spannung U kleiner ist als ein Schwellenwert Us, indem die Gesamtladung Ah um eine für den Ausgleich bestimmte Dauer Te verlängert wird. Wenn durch die Abfrage 26 festgestellt wird, daß U(tn) größer als Us ist, wird das Laden im Schritt 27 unterbrochen bzw. beendet. Andernfalls, wenn man feststellt, daß U(tn) nicht größer als Us ist, geht es weiter mit einem Ausgleich des Akkumulators, indem man ihm für eine zusätzliche, bestimmte Dauer Te den Ladestrom 1 zuführt. Dieser Wert von Te wird willkürlich in Abhängigkeit von der Erfahrung und/oder dem Akkumulator gewählt. Diese Phase des Ausgleichs wird durch den Schritt 28 in der Fig. 8 dargestellt. In einer Variante oder in einer Kombination kann man einen solchen Ausgleichszyklus auch durchführen, wenn der Wert von Pm kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert ist. Nach der Ausgleichsphase, d. h., wenn die Zeit Te verstrichen ist, wird der Ladevorgang im Schritt 27 unterbrochen bzw. beendet. Als Variante hierzu kann man, statt eine automatisch ausgelöste Ausgleichsphase 28 vorzusehen, einfach die optische Anzeige des Ergebnisses der Abfrage 26 auf der Frontseite der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung vorsehen.
Man wählt den Schwellenwert Us der Spannung, unterhalb dem der Ausgleich vorgenommen wird, in der Größenordnung von 2,4 V pro Element des Akkumulators 1. Denn Fig. 6 zeigt, daß für die üblichen, zwischen 40 und 80% liegenden Entladungstiefen der Wert von U(tn) pro Element immer größer als 2,4 V ist, wenn der Akkumulator in relativ gutem Zustand ist und ein geringes Alter hat. Andernfalls, wenn der Akkumulator sehr alt ist, ist dieser Wert von U(tn) kleiner als 2,4 V. Unter diesen Umständen, d. h. bei sehr altem Akkumulator, muß automatisch ein Ausgleichszyklus durchgeführt werden.
Eine bevorzugte Vorrichtung zum Laden eines Akkumulators nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren ist schematisch und in funktionsbezogener Weise in Fig. 9 dargestellt. Eine solche Vorrichtung 2 umfaßt Mittel 30 zum Liefern einer Ladespannung für den Akkumulator 1. Diese Mittel 30 werden in Wirklichkeit von einer konventionellen Ladevorrichtung gebildet. Die Ladevorrichtung 2 umfaßt auch Mittel 31 zum ständigen Messen des Ladestroms I, der Spannung U an den Klemmen des Akkumulators 1 und der Ladezeit t; Mittel 32 zum Speichern dieser Werte in regelmäßigen Zeitabständen; mit Mikroprozessor programmierte Berechnungsmittel 33, 34, 35 zum Berechnen der dem Akkumulator zuzuführenden Gesamtladung Ah gemäß den Formeln und unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens; Mittel 36 zum automatischen Unterbrechen des Ladens, wenn die Gesamtladung Ah zugeführt worden ist (je nach Fall mit oder ohne Ausgleichszyklus).
Die Berechnungsmittel 33, 34, 35 umfassen einen Mikroprozessor 33, einen Speicher ROM 34 und einen mit dem Mikroprozessor 33 verbundenen Speicher RAM 35. Die mit Mikroprozessor programmierten Berechnungsmittel 33, 34, 35 umfassen Mittel zur numerischen Glättung der den Wert der Spannung U in Abhängigkeit von der Zeit t darstellenden Kurve. Die so nach der numerischen Glättung erhaltenen Werte U(t) werden in den Speichermitteln 32 gespeichert. Ebenso führen die mit Mikroprozessor programmierten Berechnungsmittel 33, 34, 35 zu jedem Meß-Zeitpunkt t die Berechnung der Ableitung dU/dt durch sowie die der schon zugeführten Ladung Ah/(t), indem das Integral des Produktes des Ladestroms I über der Ladezeit t gebildet wird. Diese Werte dU/dt und Ah(t) werden ebenfalls in den Speichermitteln 32 gespeichert.
Der Mikroprozessor ist so programmiert, daß er das in den Fig. 7 und 8 schematisch dargestellte und zuvor beschriebene Verfahren ausführen kann. Wie man sieht, ist das hierzu auszuführende Programm äußerst einfach und weist nur vollkommen aus dem Stand der Technik bekannte Programmschritte auf, die der Fachmann durch eine einfache Programmierung realisieren kann.
Die Ladevorrichtung 2 weist auch Mittel 37 zum Speichern und Erfassen der Koeffizienten und der für die Berechnung der Gesamtladung Ah notwendigen Zahlen auf. Diese Mittel zum Speichern und Erfassen der Koeffizienten und Zahlen können durch Mittel 38 kontrolliert werden, die eine Schnittstelle für den Benutzer bilden und z. B. von einer (nicht dargestellten) Tastatur gebildet werden. Die Mittel 37 zum Speichern und Erfassen ermöglichen das Speichern und Erfassen der Koeffizienten q, r, s, x, y, z, k1, k2, k3, k4 und k5.
Wie man sieht, ist diese Vorrichtung zum Laden eines Akkumulators 1 äußerst einfach herzustellen und nicht teuer, im Gegensatz z. B. zu den aus dem Stand der Technik bekannten Ladevorrichtungen mit Stromregelung, die kompliziert und teuer sind.
In der Praxis kann das erfindungsgemäße Verfahren in jedem handelsüblichen geregelten oder nicht geregelten Ladegerät ausgeführt werden und so eine vollkommene Kontrolle über die dem Akkumulator zuzuführenden Gesamtladung Ah in Abhängigkeit von seiner anfänglichen Entladungstiefe, seiner Temperatur und seinem Alter ermöglichen.
Die verschiedenen zur Herstellung der Ladevorrichtung 2 und zur Durchführung des Verfahrens notwendigen Schaltungen und Programme, wie auch die genauen Werte der verschiedenen in den Formeln angewendeten Koeffizienten können selbstverständlich vom Fachmann bestimmt werden. Die Werte, die den Koeffizienten q, r, s, x, y, z, k1, k2, k3, k4 und k5 gegeben werden müssen, ändern sich praktisch nur wenig in Abhängigkeit von den Akkumulatoren und können für alle Akkumulatoren derselben Art beibehalten werden. Die Erfindung kann in bezug auf die zuvor beschriebene bevorzugte Ausführungsform Gegenstand zahlreicher Varianten sein.
Die Erfindung findet insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, Anwendung für das Laden der in elektrischen Fahrzeugen, wie z. B. Materialtransportwagen, benutzten Antriebs-Akkumulatorenbatterien. Noch allgemeiner ausgedrückt ist die Erfindung für das Laden all der Akkumulatoren anwendbar, deren Ladung exakt bestimmt werden muß, insbesondere Akkumulators mit einem flüssigen Bleielektrolyt.

Claims

1. Verfahren zum Laden eines Akkumulators, bei dem man ständig den Ladestrom 1, die Spannung U an den Klemmen des Akkumulators und die Ladezeit t mißt, ständig den Wert der Ableitung du/dt der Funktion U(t) und den zur Zeit t schon angelegten Wert der Ladung Ah(t) bestimmt, diese Größen in permanenten Momentanwertspeichern speichert, dadurch gekennzeichnet, daß man den absoluten Höchstwert Pm der Neigung der Kurve ermittelt, welche den Wert der Spannung U in Abhängigkeit von der Zeit t darstellt, man die Gesamtladung Ah berechnet, die nach der Ermittlung und entsprechend dem ermittelten absoluten Höchstwert Pm der Neigung der Kurve U(t) an den Akkumulator angelegt werden soll, und man das Laden des Akkumulators einstellt, wenn die angelegte Ladung Ah(t) den in Abhängigkeit von dem erfaßten Pm-Wert berechneten Wert der Gesamtladung Ah erreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den absoluten Höchstwert Pm der Gesamtneigung der geglätteten Kurve ermittelt, welche den Wert der Spannung U in Abhängigkeit von der Zeit t nach Beseitigung der Störsignale relativer schwacher Amplitude und relativer Hochfrequenz darstellt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichet, daß man die Gesamtladung Ah ebenfalls in Abhängigkeit von dem bereits zu der Zeit ti angelegten Ladungswert Ah(ti) berechnet, wo die Gesamtneigung der Kurve, die U(t) darstellt, den Wert Pm/i annimmt, nachdem sie durch den Höchstwert Pm gegangen ist, wobei i eine willkürlich gewählte ganze Zahl ungleich Null ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man annähernd die Entladungstiefe PdD des Akkumulators bestimmt, mit der Formel

PdD = q.Ah(ti) / C

wobei C die Nennkapazität des Akkumulators und q ein nach Erfahrung und/oder Art des Akkumulators willkürlich gewählter Koeffizient ist, und daß man zum Berechnen der Gesamtladung Ah eine Formel anwendet, die entsprechend dem so bestimmten PdD-Wert variiert.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man nach dem Ermitteln eines Höchstwertes der Gesamtneigung der Kurve (U(t) diesen Wert als absoluten Höchstwert speichert, man den Momentanwert P der Gesamtneigung weiterhin überwacht, den gespeicherten Pm-Wert durch einen neuen ermittelten Wert ersetzt, wenn die Gesamtneigung P wieder über den gespeicherten Wert hinaus ansteigt, und man die anzulegende Gesamtladung Ah berechnet, wobei diese Berechnung nach der Ermittlung der zeit tn erfolgt, wo die Gesamtneigung P der Kurve U(t) den Wert Pm/n annimmt, wobei n eine nach Erfahrung und/oder Art des Akkumulators willkürlich gewählte ganze Zahl ungleich Null ist, allerdings in der Weise, daß man sicher ist, daß der letzte gespeicherte Höchstwert der Gesamtneigung P tatsächlich dem absoluten Höchstwert Pm entspricht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichet, daß man zur Beseitigung der Störsignale relativer schwacher Amplitude und relativer Hochfrequenz der U(t) eine digitale Glättung an den gemessenen Werten U(t) vornimmt, indem man für jeden Zeitpunkt t einen Durchschnittswert der Werte U(t) über einen auf t zentrierten Zeitraum δt ermittelt, dessen Wert über dem Zeitraum dieser Signale liegt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Glättungszeitraum Te kleiner oder gleich 20 min. ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichet, daß man die Gesamtadung Ah berechnet, nach der Formel

Ah = K Aho

wobei Aho die zu der Zeit tn angelegte Ladung und K ein Koeffizient ist, der je nach dem Pm-Wert und dem Ah(ti)- oder PdD-Wert schwankt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß K treppenförmig entsprechend dem Pm-Wert bei konstantem Ah(ti) oder PdD schwankt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß K treppenförmig entsprechend dem Ah(ti)- oder PdG-Wert bei konstantem Pm schwankt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn PdD kleiner als ein nach Erfahrung und/oder Art des Akkumulators willkürlich gewählter Wert r ist, man die Gesamtladung Ah bestimmt, nach der Formel

Ah = k1.Aho wenn Pm > x

Ah = k2.Aho wenn Pm ≤ x

wobei x, k1, k2 nach Erfahrung und/oder Art des Akkumulators willkürlich gewählte Werte sind.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn PdD über einem nach Erfahrung und/oder Art des Akkumulators willkürlich gewählten Wert s liegt oder gleich diesem ist, man die Gesamtladung bestimmt, nach der Formel:

Ah = k3.Aho wenn Pm > y

Ah = k4.Aho wenn z < Pm ≤ y

Ah = k5.Aho wenn Pm ≤ z

wobei y, z, k3, k4, k5 nach Erfahrung und/oder Art des Akkumulators willkürlich gewählte Werte sind.

13. Verfahren nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß r = s.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Ausgleichladezyklus durchführt, wenn der zu der Zeit tn gemessene Wert der Spannung U unter einem vorbestimmten Schwellenwert Us und/oder wenn der Pm- Wert unter einem vorbestimmten Schwellenwert liegt, indem man die Gesamtladung Ah um eine bestimmte Ausgleichdauer Te verlängert.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß man Us in der Größenordnung von 2,4 V pro Akkuelement wählt.

16. Verfahren nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß i = 1.

17. Verfahren nach Anspruch 12 und einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß r und s in der Größenordnung von 50 % gewählt werden.

18. Vorrichtung zum Laden eines Akkumulators gemäß einein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, umfassend

- Mittel (30) zum Liefern einer Ladespannung

- Mittel (31) zur ständigen Messung des Ladestroms 1, der Spannung U an den Klemmen des Akkumulators und der Ladezeit t

- Mittel (32) zum Speichern dieser Werte in regelmäßigen Zeitabständen, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem umfaßt:

- mit Mikroprozessor programmierte Berechnungsmittel (33, 34, 35) zum Ermitteln des absoluten Höchstwertes Pm der Neigung der Kurve U(t) und zum Berechnen der anzulegenden Gesamtladung Ah in Abhängigkeit von dem ermittelten Wert Pm, und

- Mittel (36) zum automatischen Unterbrechen des Ladevorgangs, wenn die Gesamtladung Ah angelegt wurde.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die mit Mikroprozessor programmierten Berechnungsmittel (33, 34, 35) Mittel zum digitalen Glätten der Kurve U(t) aufweisen.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß sie Mittel (37) zum Speichern und Erfassen der für die Berechnung der Gesamtladung Ah notwendigen Koeffizienten und Zahlen - insbesondere der Koeffizienten und Zahlen q, r, s, x, y, z, k1, k2, k3, k4 und k5 - aufweist.