DE69821607T2

DE69821607T2 - Verfahren und vorrichtung zum laden von heterogene reaktionskinetik gebrauchenden batterien

Info

Publication number: DE69821607T2
Application number: DE69821607T
Authority: DE
Inventors: S. Vladimir PAVLOVIC
Original assignee: Edison Source
Current assignee: GHV Refrigeration Inc
Priority date: 1997-04-02
Filing date: 1998-04-02
Publication date: 2004-12-23
Anticipated expiration: 2018-04-03
Also published as: CA2285353A1; CA2285353C; EP0972328A1; DE69821607D1; EP0972328B1; AU6913998A; US6495992B1; WO1998044614A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Laden von Batterien und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden einer Batterie unter Verwendung heterogener Reaktionskinetik.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Batterien sind Vorrichtungen, die in aktiven Materialien enthaltene chemische Energie direkt in elektrische Energie umwandeln, und zwar mittels einer elektrochemischen Oxidations-Reduktions-Reaktion, die den Transfer von Elektronen von einem Material zum anderen beinhaltet. Batterien werden in Primärbatterien und Sekundärbatterien unterteilt. Beide Arten von Batterien werden weithin verwendet. Sekundärbatterien sind besonders beliebt, da sie wieder aufgeladen werden können, d. h. der Zustand der Batterie kann wieder hergestellt werden.
Wiederaufladbare oder Sekundärbatterien werden mittels Ladegeräten aufgeladen, die grob in zwei Klassen unterteilt werden können: einfache Ladegeräte und Regel- oder Rückkopplungsladegeräte. Einfache Ladegeräte geben über ein zeitlich gesteuertes Intervall Ladestrom mit geringer Höhe an die Batterie ab. Die Stromstärke ist so gewählt, dass eine Beschädigung der Batterie durch Überladung verhindert wird. Rückkoppelungsladegeräte andererseits überwachen den Zustand einer Batterie, um die Höhe des Ladestroms während dem Ladezyklus zu steuern. Der Ladezyklus besteht aus einer Hochstromphase und einer Regulierungsphase. Während der Hochstromphase prägt das Rückkoppelungsladegerät einen hohen Ladestrom in die Batterie ein, um die Batterie schnell zu laden. Das Rückkoppelungsladegerät überwacht den Zustand der Batterie weiter und reduziert den Ladestrom, wenn der Ladezustand der Batterie wiederhergestellt ist.
Die Kapazität und die Lebensdauer von Batterien hängen von zahlreichen unterschiedlichen Faktoren ab. Ladeparameter sind besonders wichtig und beeinflussen die Ladekapazität der Batterie stark.
Die EP-A-593196 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laden von Blei-Säure-Batterien. Periodische Spannungsdurchläufe (sweeps) werden dazu verwendet, die erforderliche Ladespannung zu ermitteln. Die Ladespannung wird dann in Übereinstimmung mit der Spannungsdurchlaufinformation eingestellt.
In der US-A-5.179.335, die für den Inhaber des vorliegenden Erfindungsgegenstands erteilt wurde, wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern des Ladevorgangs durch die widerstandsfreie Spannung offenbart. Die widerstandsfreie Spannung stellt die Ladungsaufnahmespannung der Batterie dar. Die Ladungsaufnahmespannung wird während einer diagnostischen Stromunterbrechung berechnet, wie in der US-A-5.179.335 offenbart ist, oder aus der Anschlussspannung ermittelt, die sich aus dem Ladestrom und dem inneren Ladewiderstand ergibt, wenn der Ladestrom wie in der US-A-5680031 (nach dem Prioritätsdatum veröffentlicht) gelehrt wird. Wie in der US Patentanmeldung Nr. 08/621.930 weiters offenbart ist, wird die berechnete Ladungsaufnahmespannung mit einer Temperatur-kompensierten Referenzspannung verglichen und der Ladestrom wird so eingestellt, dass die gemessene oder berechnete Ladungsaufnahmespannung die eingestellte Referenzspannung, bei der eine Temperaturkompensation vorgenommen worden ist, nicht übersteigt.
Obwohl das Verfahren viele Jahre lang erfolgreich eingesetzt wurde und im Vergleich zu anderen Lademethoden hervorragend ist, weist es gewissen Nachteile auf. Die vorliegende Erfindung nimmt sich dieser Nachteile an, indem ein neuartiges Verfahren und eine neuartige Vorrichtung zum Laden von Batterien bereitgestellt wird.
KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es hat sich herausgestellt, dass die widerstandsfreie Spannung oder die Ladungsaufnahmespannung nicht das einzige Kriterium zum Wiedergeben der Ladungsaufnahmefähigkeit einer Batterie, d. h. der Fähigkeit einer Batterie, einen maximalen Ladestrom ohne Beschädigung aufzunehmen, ist. Selbst bei der gleichen Art von Batterie und Batteriechemie wird die Ladungsaufnahmespannung von zahlreichen Faktoren wie die innere Temperatur, Batteriealter und vorherige Ladezyklen beeinflusst. Die Innentemperaturparameter Platte und Elektrolyt sind besonders wichtig und beeinflussen die Erfassung der widerstandsfreien Spannung oder Ladungsaufnahmespannung. Es versteht sich, dass sämtliche Versuche, die Ladungsaufnahmespannung zu kompensieren, durch das schwierige Messen der eigentlichen Innentemperatur der Batterie eingeschränkt sind. Bei in der Praxis verwendeten Systemen ist nur die Außentemperatur der Batterie messbar. Darüber hinaus kann eine hohe Laderate (Strom) in einem Schnellladesystem ein wesentliches Temperaturgefälle innerhalb der Batterie verursachen, wodurch die Auswirkung der Temperatur auf die Ladungsaufnahmespannung und die Steuerung des Ladevorgangs vergrößert wird.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit, die einen neuen Parameter oder Indikator für das Ermitteln der Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie zum Steuern des Ladevorgangs verwendet. Das Verfahren und die Vorrichtung lösen die mit der Temperaturabhängigkeit der Ladungsaufnahmespannung verbundenen Probleme vorteilhaft.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Batterieladungsaufnahmefähigkeit aus einem Anschlussspannungsprofil ermittelt, das während einer Variation im diagnostischen Strom bestimmt wird. Die Variationsperiode liegt vorzugsweise im Bereich von 4 bis 1800 ms. Ein längeres Variationsintervall kann ebenso verwendet werden, neigt jedoch dazu, den Ladevorgang zu verlangsamen.
Gemäß der Erfindung weist das Anschlussspannungsprofil charakteristische Eigenschaften auf und es werden zwei Anschlussspannungsprofile auf Basis der Batteriechemie bereitgestellt.
Die erste Gruppe an Batterien mit einem charakteristischen Anschlussspannungsprofil umfasst Blei-Säure-, Nickel-Kadmium-, etc. -Batterien. Das Anschlussspannungsprofil ist durch einen ansteigenden Profilverlauf während der Stromvariation gekennzeichnet. Es wird angenommen, dass die Profilsteigung aufgrund des erhöhten Massetransport-Widerstands auftritt. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung ist am Beginn des Ladevorgangs das Spannungsprofil, wenn die Batterie entladen ist und die eigentliche Laderate unter der Batterieladungsaufnahmefähigkeit liegt, während der Stromvariation beinahe flach. Wenn sich die Batterie auflädt, nimmt der Anstieg des Spannungsprofils zu, bis die Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie erreicht ist. Ist die Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie erreicht, wird der Ladestrom verringert, um der geringeren Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie zu entsprechen.
Die zweite Gruppe an Batterien mit einem charakteristischen Anschlussspannungsprofil umfasst Nickel-Metallhydrid-Batterien. Das Anschlussspannungsprofil der zweiten Gruppe weist den größten Anstieg am Anfang des Ladevorgangs auf, d. h. wenn die Batterie vollständig entladen ist. Während sich die Batterie auflädt, sinkt die Steigung des Spannungsprofils und nähert sich Null, wenn die Laderate die Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie erreicht hat. Der Ablauf des Spannungsprofils für diese Batterien kann dadurch erklärt werden, dass sich die Wasserstoff-absorbierende Legierung sättigt, wenn die Batterie geladen wird, was zu einer Abnahme der Wasserstofftransportrate führt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Anstieg des Anschlussspannungsprofils im Ladevorgang dazu verwendet, die Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie zu ermitteln und dadurch den Ladestrom zu steuern. In einer Ausführungsform wird der Anstieg (die Steigung) des Spannungsprofils herangezogen, um den Referenzspannung-Einstellungspunkt (SV_ref) zu steuern, so dass ein optimaler Wert für die jeweilige zu ladende Batterie erhalten wird, wodurch ein Ladungsaufnahmewert basierend auf der vorliegenden Batteriesäule bereitgestellt wird. Das Spannungsprofil wird durch ein Stromvariationsintervall ermittelt. Ein Vorteil bei der Verwendung des Spannungsprofilanstiegs gemäß der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Referenz-Punkteinstellungsspannung keiner Temperaturkompensation unterzogen werden muss.
In einer weiteren Ausführungsform wird das Spannungsprofil während der Ladestrom-Anstiegsphase am Beginn des Ladezyklus ermittelt. Wenn der maximale Ladestrom erreicht ist, wird das Spannungsprofil periodisch angepasst oder nachdem ein gewisse Anschlussspannung-Anstiegsausmaß erreicht worden ist, um die Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie zu bestimmen. Wenn die Ladungsaufnahmefähigkeit erreicht ist, wird der Ladestrom in diskreten Schritten verringert, so dass der Ladestrom die verringerte Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie nicht übersteigt. Die Stufenveränderung des Ladestroms stellt vorteilhaft ein Mittel bereit, um das Spannungsprofil und dadurch die Batterieladungsaufnahmefähigkeit ohne weitere Stromunterbrechungen zu ermitteln.
In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie bereitgestellt, wobei die Vorrichtung umfasst: Generatormittel zum Erzeugen eines Ladestroms mit einer variablen Stärke, und wobei der Strom während eines ersten Ladezeitraums eine Höhe hat, um die Batterie rasch mit einer Rate in Ampere zu laden, die über der Kapazität der Batterie in Ampere-Stunden liegt; Reglermittel zur Steuerung des Generatormittels, wobei das Reglermittel (a) Mittel zum Variieren des Ladestroms für ein vorbestimmtes Variations-intervall; (b) Mittel zur Erzeugung eines Anschlussspannungsprofils für die Batterie im Variationsintervall; (c) Mittel (400) zum Bestimmen einer Ladungsaufnahmefähigkeit für die Batterie aufgrund des Anschlussspannungsprofils; und (d) Mittel zur Regulierung der Höhe des Ladestroms in Reaktion auf die Ladungsaufnahmefähigkeit aufweist.
In einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie bereit, folgende Schritte umfassend: (a) das Erzeugen eines Ladestroms mit einer variablen Höhe; (b) das Halten des Ladestroms während eines ersten Ladezeitraums auf einer Höhe, um die Batterie rasch mit einer Rate in Ampere zu laden, die größer als die Kapazität der Batterie in Ampere-Stunden ist; (c) das Ändern der Höhe des Ladestroms für ein vorbestimmtes Intervall; (d) das Erzeugen eines Anschlussspannungsprofils für die Batterie im vorbestimmten Intervall; (e) das Bestimmen einer Ladungsaufnahmefähigkeit für die Batterie aus dem Anschlussspannungsprofil; und (f) das Steuern der Höhe des Ladestroms als Reaktion auf die Ladungsaufnahmefähigkeit.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der Ladungsaufnahmefähigkeit für eine Batterie während des Ladezyklus bereit, wenn ein Ladestrom an eine wiederaufladbare Batterie angelegt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) das Erhöhen des Ladestroms auf eine vorbestimmte Höhe; (b) das Erhalten einer ersten Anstiegserfassung während des Stromerhöhungszustands durch Messen der Rate der Änderung der Anschlussspannung der Batterie; und (c) das Bestimmen der Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie aus der ersten Anstiegserfassung.
KURZBESCHREIBUNG DER ABBILDUNGEN
Nun wird auf die begleitenden Abbildungen verwiesen, die mittels Beispielen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zeigen und worin:
1 ein Blockdiagramm eines Verfahrens zum Regulieren das Ladestroms gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ein Ablaufdiagramm eines Ladeverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
3 ein Ablaufdiagramm einer Anstiegsfunktion für das Ladeverfahren aus 2 ist;
4 ein Ablaufdiagramm eines Hochstrom-Steuerungsverfahrens für das Ladeverfahren aus 2 ist;
5 ein Ablaufdiagramm eines Stromregelungsverfahrens für das Ladeverfahren aus 2 ist;
6 ein Ablaufdiagramm der Verfahrensschritte zum Ermitteln der Ladungsaufnahmefähigkeit gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
7 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Ohmschen Widerstand-Spannungsabfall und dem aus der Ionenmigration durch die Elektrolytkonzentration-Grenzschicht resultierenden Spannungsabfall ist;
8 eine graphische Darstellung der für Batterien einer ersten Klasse charakteristischen Spannungsprofile ist;
9 eine graphische Darstellung der für Batterien einer zweiten Klasse charakteristischen Spannungsprofile ist;
10 eine graphische Darstellung des Ladestroms auf Basis des Anschlussspannungsprofils ist; und
11 ein Blockschaltbild eines Batterieladegeräts ist, das sich für den Ladevorgang gemäß der vorliegenden Erfindung eignet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Das Ladeverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Regelkreis-Schnellladeverfahren, das eine Hochstromphase und eine Regulierungsphase umfasst. Während der Hochstromphase wird beim Ladevorgang ein hoher Ladestrom in die Batterie eingeprägt, um die Batterie rasch zu laden. Während der Regulierungsphase verringert der Ladevorgang den Ladestrom und reguliert diesen, um den Ladezyklus der Batterie abzuschließen. Wie nun beschrieben wird, stellt die vorliegende Erfindung ein Ladeverfahren bereit, das den Ladezyklus optimiert, um eine schnelle Ladung ohne Beschädigung der Batterie durchzuführen.
Zuerst wird auf 11 verwiesen, die ein Blockschaltbild eines Batterieladegeräts 10 zum Durchführen des Ladeverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Batterieladegerät 10 umfasst ein Reglermittel 12, eine Benutzer-Steuerschnittstelle und ein Anzeigefeld 14 sowie eine programmierbare Stromversorgung 16.
Die programmierbare Stromversorgung 16 erzeugt einen Ladestrom I, gekennzeichnet durch Verweiszahl 18 zum Laden der Batterie 20, die mit dem Ladegerät 10 verbunden ist. Das Reglermittel 12 ist durch einen Digital-Analog(D/A)-Wandler 22 mit einem Analogeingang der programmierbaren Stromversorgung 16 gekoppelt. Der D/A-Wandler 22 stellt ein analoges Steuerungssignal an die Stromversorgung bereit, das die relative Höhe des Ladestroms I, der in die Batterie 20 einzuprägen ist, repräsentiert. Der Analogeingang nimmt ein Steuerungsspannungssignal vom D/A-Wandler 22 im Bereich von 0 bis 10 VDC auf. Das Steuerungsspannungssignal repräsentiert einen Bereich von 0% bis 100% der gesamten Ausgangsstromkapazität der programmierbaren Stromversorgung 16.
Die programmierbare Stromversorgung 16 schließt auch eine gepufferte digitale Eingabe/Ausgabe(I/O-Schnittstelle ein, die mit den zugehörigen Ausgabe- und Eingabe-Ports auf dem Reglermittel 12 gekoppelt sind. Die programmierbare Stromversorgung 16 empfängt digitale Steuersignale, die vom Reglermittel 12 ausgeben werden, um den Ladestrom I auf EIN/AUS zu stellen und einen STÖRUNG-Zustand zu beseitigen. Die Stromversorgung 16 nimmt vorzugsweise ein digitales Eingangssignal vom Reglermittel 12 auf, das ein sofortiges Herunterfahren des Ausgangsladestroms I auf 0% verursacht. Die programmierbare Stromversorgung 16 gibt auch digitale Signale an das Reglermittel 12 ab, um den Status und Störungszustände, z. B. Übertemperatur, zu hohe Gleichspannungs-Bus-Spannung und zu niedrige Gleichspannungs Bus-Spannung anzuzeigen. Fachleute auf dem Gebiet sind mit der Implementierung der programmierbaren Stromversorgung 16 vertraut.
Das Reglermittel 12 umfasst einen Mikroprozessor oder eine Prozessorplatine, die geeignet programmiert worden ist, um ein Ladeprogramm und Steuerungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Der Ladevorgang ist durch Parameter konfiguriert, die über die Benutzerschnittstelle und das Anzeigefeld 14 eingegeben werden. Die Benutzerschnittstelle und das Anzeigefeld 14 umfassen vorzugsweise eine Anzeige und eine Tastatur, oder Tastaturfeld, um die Ladungsparameter für einen Batterietyp einzugeben. Die Benutzerschnittstelle 14 kann auch eine Eingabevorrichtung zum Lesen eines Batterieparameter-Identifizierers einschließen, der mit gewissen Typen von Batterien verbunden ist.
Das Reglermittel 12 verwendet das Anzeigefeld 14, um den Batterieladestatus, Ladesystemstatusanzeichen, Störungszustände und diagnostische Information anzuzeigen. Das Anzeigefeld 14 schließt auch Eingabetasten ein, um den Batterieladevorgang zu starten/stoppen, und zeigt Bereitmeldungen (Prompts)/Nachrichten an, um den Benutzer zu veranlassen, die Batterie 20 mit dem Ladegerät 1 zu verbinden und die Ladeparameter einzugeben.
Wie oben beschrieben wurde, wird das Ladegerät 10 als Regelkreis- oder Rückkoppelungsladesystem betrieben. Das Ladegerät 10 schließt, wie in 11 ersichtlich, ein Sensormodul 24 zum Überwachen verschiedener Parameter der Batterie 20 ein. Die Sensoren schließen einen Ladestromsensor 26, einen Batteriespannungssensor 28, einen Batteriedrucksensor 30 und einen Batterietemperatursensor 32 ein. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung stellt der Batterietemperatursensor 32 eine primär diagnostische Funktion bereit, da die Referenzspannungs-Punkteinstellung (SV_ref) aus dem Anstieg des Spannungsprofils ermittelt wird, weshalb keine Temperaturwerte zum Kompensieren der Referenzpunkteinstellung SV_ref notwendig ist und der Temperatursensor 32 lediglich einen diagnostischen Eingang an das Reglermittel 12 bereitstellt. Die Sensoren 26, 28, 30, 32 umfassen analoge Prozess-Messschaltungen und sind durch einen Analog-Digital(A/D)-Wandler 34 mit zugehörigen Eingabe-Ports im Reglermittel 12 gekoppelt.
Der Ladestromsensor 26 überwacht den Ladestrom I und wird unter Verwendung eines Stromwandlers, wie dem LEM Modul LT 500 von LEM S. A. Schweiz, verbunden mit einem Lastwiderstand und einem Analogverstärker (nicht dargestellt) zum Konditionieren des Signals realisiert. Fachleuten auf dem Gebiet ist die Umsetzung eines solchen Analogschaltkreises bekannt.
Der Batteriespannungssensor 28 überwacht die Ausgangsspannung der Batterie 20 und umfasst vorzugsweise einen skalierbaren Signalkonditionierungsverstärker (nicht dargestellt) mit galvanischer Isolierung, die z. B. von einem Optokoppler bereitgestellt wird (nicht dargestellt).
Der Batteriedrucksensor 30 überwacht den Innendruck der Batterie 20 und wird durch Verwendung eines geeigneten Druckwandlers wie das PX302-Modell von Omega Engineering Inc. realisiert.
Der Batterietemperatursensor 32 überwacht die Innentemperatur der Batterie 20 und wird durch Verwendung eines Halbleiter-Wärmesensors realisiert, der in Kontakt mit der Außenwand der Batterie 20 angeordnet ist. Ein geeigneter Temperatursensor ist das LM335A-Halbleitergerät von National Semiconductor (Santa Clara, CA). Der Temperatursensor 32 kann einen analogen Konditionierungsverstärker (nicht dargestellt) beinhalten, um das Ausgangssignal des Temperatursensors 32 zu konditionieren. Die Ausgangssignale 32 der Sensoren 26–32 werden in den A/D-Wandler 34 eingespeist und durch das Reglermittel 12 für die Eingabe digitalisiert. Der A/D-Wandler 34 umfasst vorzugsweise einen Hochgeschwindigkeits-12bit-Wandler.
Die digitalisierten Signale, die das Reglermittel 12 vom A/D-Wandler 34 abliest, werden vom Batterieladeprogramm und -verfahren in Verbindung mit vom Benutzer eingegebenen Batterie- und Ladeparametern verarbeitet. In Reaktion auf die Eingangssignale berechnet das Prozesssteuerungsprogramm des Batterieladegeräts 10 die Steuerbefehle für die programmierbare Stromversorgung 16 und aktualisiert diese. Das Prozesssteuerungsprogramm überwacht zudem weiterhin den Status und den Betrieb der programmierbaren Stromversorgung 16. Wenn irgendwelche Störungen detektiert werden, beendet das Batterieladeprogramm den Ladezyklus, d. h. schaltet die Stromversorgung 16 ab und zeigt den Abbruch- oder Störungszustand auf dem Benutzeranzeigefeld 14 an. Die Verarbeitungsschritte des Batterieladeprogramms und – verfahrens werden untenstehend mit Verweis auf die 1 bis 10 im Detail beschrieben.
Die maximale Rate, mit der die Batterie in einem beliebigen Moment Strom aufnehmen kann, ohne überladen zu werden, wird als Ladungsaufnahmefähigkeit bezeichnet. Die Ladungsaufnahmefähigkeit oder CAA (charge acceptance ability) ist eine Funktion des Ladungszustands, der Temperatur, des Alters der Batterie und früherer Ladevorgänge. Es ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, dass der an die Batterie angelegte Ladestrom I auf Basis des Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie gesteuert wird. Die Ladungsaufnahmefähigkeit wiederum wird aus dem Anstieg des Anschlussspannungsprofils ermittelt. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung hat sich herausgestellt, dass das während einem Ladezyklus für eine Batterie berechnete Anschlussspannungsprofil gewisse Eigenschaften aufweist, die dazu verwendet werden, die Ladungsaufnahmefähigkeit, d. h. die Fähigkeit der Batterie Ladestrom aufzunehmen, über den Ladezyklus zu ermitteln.
Als erstes wird auf 1 verwiesen, die die Struktur eines Batterieladeprogramms 100 gemäß der vorliegenden Erfindung in Form eines Blockschaltbildes darstellt. Das Batterieladeprogramm 100 umfasst ein Ladungssteuerungsmodul 102, ein Benutzerschnittstellenmodul 104, ein Ladegerätausgabemodul 106, ein Ladegeräteingabemodul 108 und ein Verfahrensmessmodul 110.
Das Ladungssteuerungsmodul 102 umfasst die Verfahrensschritte des Steuerns der Ladung der Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Ladungssteuerungsmodul 102 wird unten mit Verweis auf die 2 bis 10 detaillierter beschrieben.
Das Benutzerschnittstellenmodul 104 umfasst die Funktionen, die das Betreiben der Benutzersteuerung und des Anzeigefelds 14 (11) steuern. Das Benutzerschnittstellenmodul 104 verarbeitet die Eingangssignale, die durch den Benutzer in Ladesteuerungsparameter 112 eingegeben worden sind, die vom Ladungssteuerungsmodul 102 wie untenstehend detaillierter beschrieben herangezogen werden. Das Benutzerschnittstellenmodul 104 zeigt zudem Daten vom Ladungssteuerungsmodul 102 im Ladevorgang als Verfahrensausgangssignale 114 und als diagnostische Information 116 auf der Anzeigeeinheit 14 an.
Das Ladegerätausgabemodul 106 steuert den Betrieb der programmierbaren Stromversorgung 16 in Reaktion auf die vom Ladungssteuerungsmodul 102 ausgegebenen Befehle. Das Ladegerät-Ausgabemodul 106 stellt dem D/A-Wandler 22 die digitalen Steuerungssignale zur Verfügung, um das Steuerungsspannungssignal für die programmierbare Stromversorgung 16 zu erzeugen. Das Ladegerät-Ausgabemodul 106 erzeugt zudem die digitalen Ausgangssignale, z. B. Ladestrom EIN/AUS und Rückstellen der STÖRUNG, um die programmierbare Stromversorgung 16 zu steuern.
Das Ladegerät-Eingabemodul 108 empfängt Status- und Störungszustandsignale, die von der programmierbaren Stromversorgung 16 ausgeben werden. Die Status- und Störungszustandsignale werden am Eingabe-Port des Reglermittels 12 aufgenommen und zur Verarbeitung an das Ladungssteuerungsmodul 102 übertragen. In Reaktion auf einen Hochdruckzustand unterbricht das Ladungssteuerungsmodul 102 beispielsweise das Laden der Batterie 20, wird die Stromversorgung 16 durch das Ladegerätausgabemodul 106 heruntergefahren und eine „Abbruchnachricht" durch das Benutzerschnittstellenmodul 104 auf dem Anzeigefeld 14 angezeigt.
Das Verfahrensmessmodul 110 überwacht den Eingang der Signale von den Ladestrom-, Batteriespannung-, Batteriedruck- und Batterietemperatursensoren 26, 28, 30, 32 ( 11). Die Analogeingangssignale von den Sensoren werden anschließend vom A/D-Wandler 34 digitalisiert. Die von den Sensoren erhaltene digitalisierte Information wird dann in einem Speicher gespeichert, um vom Ladungssteuerungsmodul 102 verwendet zu werden, wie untenstehend detaillierter beschrieben wird.
Als nächstes wird auf 2 verwiesen, die den Betrieb des Batterieladegeräts 10 und des Ladungssteuerungsmoduls 102 gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Anfangs liest das Ladungssteuerungsmodul 102 den Batterietyp-Identifizierer in Schritt 103, wenn das Ladegerät 10 eine Eingabevorrichtung zum Lesen des Batterie-Identifizierers einschließt. Wenn das Ladegerät 10 keinen Batterietypleser einschließt, wird der Benutzer dazu veranlasst, den Batterietyp über die Schnittstelle 14 einzugeben. Die Batterietypinformation, d. h. Chemie, wird benötigt, um das Anschlussspannungsprofil zu bestimmen. Der Batterietyp wird auch dazu verwendet, in Schritt 105 eine geeignete Parametertabelle auszuwählen.
Das Anschlussspannungsprofil und die Parametertabelle hängen vom Batterietyp ab. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung werden Batterien in Gruppe I oder Gruppe II unterteilt. Batterien der Gruppe I umfassen die häufigsten Batterietypen und schließen Blei-Säure- und Nickel-Kadmium-Batterien ein. Batterien der Gruppe I besitzen ein Anschlussspannungsprofil mit einer Steigung dV/dt, wie in 8 dargestellt ist. Das Anschlussspannungsprofil wird als die Spannung der Batterie definiert, wenn der Ladestrom I unterbrochen oder wie unten beschrieben variiert wird. Am Beginn des Ladevorgangs für eine Gruppe I-Batterie (d. h. eine Batterie ist entladen und die aktuelle Laderate liegt unter der Batterieladungsaufnahmefähigkeit) ist die Steigung dV/dt des Anschlussspannungsprofils beinahe flach wie durch die Kurve 120a veranschaulicht wird. Wenn die Batterie geladen wird, erhöht sich die Steigung dV/dt des Anschlussspannungsprofils, wie durch die Kurven 120b, 120c, 120d dargestellt wird. Wenn die Batterie vollständig geladen ist, erreicht die Steigung dV/dt des Anschlussspannungsprofils ihren Maximalwert, wie durch Kurve 122 gezeigt wird. Die Maximalsteigung dV/dt des Anschlussspannungsprofils, d. h. die Kurve 122 in 8, bedeutet, dass die Ladungsaufnahmefähigkeit CAA (charge acceptance ability) der Batterie erreicht worden ist und der Ladestrom I muss reduziert werden, um ein Überhitzen und Beschädigen der Batterie zu vermeiden.
Batterien der Gruppe II umfassen Nickel-Metallhydrid-Batterien. Gruppe II-Batterien besitzen ein Anschlussspannungsprofil mit einer Steigung dV/dt, wie in 9 gezeigt wird. Wenn die Batterie vollständig entladen ist, weist die Steigung dV/dt des Anschlussspannungsprofils (d. h. erstellt während dem Stromvariationsintervall) eine Maximalsteigung dV/dt, wie durch Kurve 124a in 9 angedeutet, auf. Wenn die Batterie geladen wird, nimmt die Steigung dV/dt des Anschlussspannungsprofils (z. B. erstellt während aufeinanderfolgender Stromvariationsintervalle) ab, wie durch die Kurven 124b, 124c und 124d in 9 veranschaulicht wird. Wenn die Batterie geladen wird, d. h. wenn die Laderate die Ladungsaufnahmefähigkeit erreicht, nähert sich die Steigung dV/dt des Anschlussspannungsprofils Null, wie durch die Kurve 126 in 9 gezeigt wird.
Die in Schritt 105 gelesene Parametertabelle ist vom jeweiligen Batterietyp, z. B. Nickel-Kadmium oder Blei-Säure (Gruppe 1) oder Nickel-Metallhydrid (Gruppe 2), abhängig.
Die Tabelle schließt vorzugsweise Ladeparameter, Sicherheitsgrenzen und eine Abtastrate oder -auflösung für die Eingabe/Ausgabe-Zeitschalter, die untenstehend detaillierter beschrieben werden. Die Parameter für verschiedene Arten von Batterien, die für das Ladegerät in Frage kommen, sind in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert, auf den durch das Reglerelement zugegriffen werden kann.
Wie in 2 gezeigt wird, sind zwei Module 201, 202 vorhanden, die die Datenerfassung bzw. die Steuerbefehlübertragung beim Ladegerät 10 durchführen. Das Datenerfassungsmodul 201 überwacht den Dateneingang von den Sensoren 26 bis 32 ( 11). Das Echtzeit-Verfahrensmodul 202 gibt digitale Steuersignale und das Stromsteuersignal (über den D/A-Wandler 22) an die programmierbare Stromversorgung 16 ab.
In Schritt 203 des Echzeit-Verfahrenssteuermoduls 202 wird eine Zeitbasis zum Ausgeben der Ausgangssteuerbefehle erzeugt. Als nächstes werden die Ausgangssteuersignale in Schritt 205 an die entsprechenden Hardware-Treiber gesendet. Wie dargestellt ist, besteht zwischen dem Echtzeit-Prozesssteuermodul 202 und dem Echtzeit-Datenerfassungsmodul 201 ein Rückkopplungs-Pfad 207. Der Rückkopplungs-Pfad 207 stellt einen „Auslöser" für das Echtzeitdatenerfassungsmodul 201 bereit, wie untenstehend beschrieben wird.
Bezugnehmend auf 2 erzeugt das Datenerfassungsmodul 201 in Schritt 209 eine Zeitbasis zum Eingeben, d. h. Abtasten, von Daten. Die Abtastrate hängt von der jeweiligen verwendeten Hardware und der erwünschten Auflösung der Verfahrenssteuerung ab, wie für Fachleute auf dem Gebiet verständlich ist. Beispielsweise ist das Abtasten ein Mal alle 60 Mikrosekunden für das Ladegerät geeignet. In Schritt 211 sammelt das Datenerfassungsmodul 201 (mit der Abtastgeschwindigkeit) Stromerfassungen I₁, ..., I_n vom Ladestromsensor 26 (11), Spannungserfassungen V₁, ..., V_n vom Batteriespannungssensor 28, Druckerfassungen P₁, ..., P_n vom Batteriedrucksensor 30 und Temperaturerfassungen T₁, ..., T_n vom Batterietemperatursensor 32.
In Schritt 213 werden Werte für die Durchschnittsspannung V_av, den Durchschnittsladestrom I_av, die Coulombladung Q, die Ladungsenergie E und die verstrichene Ladezeit aus den Eingangsdaten berechnet. Der Durchschnittsstromwert I_av und der Durchschnittsspannungswert V_av werden über eine bestimmte Periode berechnet, wie z. B. eine Sekunde. Die Coulombladung Q wird durch Integrieren der Werte für den Ladestrom I₁, ... berechnet und die Ladungsenergie E wird aus dem Durchschnittsstrom I_av und der Durchschnittsspannung V_av ermittelt.
In Schritt 211 werden Daten, die dem hohen Wert für den Ladestrom I_hi, dem niedrigen Wert für den Ladestrom I_low, dem hohen Wert für die Spannung V_hi und dem niedrigen Wert für die Spannung V_low in Verbindung mit dem auf dem Rückkopplungs-Pfad 207 vom Echtzeit-Verfahrenssteuerungsmodul 202 bereitgestellten Auslöser gelesen. Der Auslöser für den hohen Ladestrom I_hi umfasst den Ausgangsbefehl an die programmierbare Stromversorgung 16, den Ladestrom I auf den hohen Wert anzuheben. Ähnlich umfasst der Auslöser für den niedrigen Ladestrom I_low den Ausgangsbefehl an die Stromversorgung 16, den Ladestrom I auf den niedrigen Wert abzusenken. Die Werte für die hohe Spannung V_hi und die niedrige Spannung V_low werden auf ähnliche Art gelesen. Die vom Datenerfassungsmodul 201 erzeugten Daten werden im Speicher für die weitere Verarbeitung gespeichert.
Bezugnehmend auf 2 wird am Beginn eines Ladezyklus der Status in Block 107 auf „RAMP UP" eingestellt. Der Ramp-up-Status bedeutet, dass der Ladestrom I auf eine HOCH-Stromhöhe ansteigt oder erhöht wird. Während der Hochstromphase des Ladezyklus wird der Ladestrom I auf einem HOCH-Wert gehalten, bis die Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie erreicht ist, wobei der Ladestrom zu diesem Zeitpunkt reguliert wird, um das Laden der Batterie abzuschließen oder zu vervollständigen.
In Schritt 109 wird der „RAMP UP"-Status geprüft. Wenn sich das Ladegerät I im RAMP-UP-Modus befindet, wird in Schritt 111 eine Ramp-up-Prozedur 300 aufgerufen. Die Funktion der Ramp-up-Prozedur 300 ist es, den Ladestrom I auf den Maximalwert I_max zu erhöhen, der für den jeweiligen zu ladenden Batterietyp zulässig ist. Der Maximalstrom I_max wird bequem in der Parametertabelle gespeichert. Die Ramp-up-Prozedur 300 wird in 3 detaillierter dargestellt.
Bezugnehmend auf 3 ist der erste von der Ramp-up-Prozedur 300 durchgeführte Schritt die Ladungsaufnahmefähigkeit CAA der zu ladenden Batterie zu berechnen. In Schritt 301 wird eine Ladungsaufnahmefähigkeitsprozedur 400 aufgerufen, die in 6 detaillierter dargestellt ist. Die Funktion der Ladungsaufnahmefähigkeitsprozedur 400 ist es, zu ermitteln, ob die Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie erreicht worden ist. Wenn die Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie nicht erreicht worden ist, kann der Ladestrom I erhöht werden, um das Schnellladen der Batterie fortzusetzen. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird die Ladungsaufnahmefähigkeit CAA aus der Steigung dV/dt des Anschlussspannungsprofils ermittelt (8 und 9).
Wie in 6 ersichtlich, überprüft die Ladungsaufnahmefähigkeitsprozedur 400 zuerst in Schritt 401 die Betriebsart, genauer gesagt, ob die Betriebsart REGULIERT ist. Wenn die Betriebsart nicht REGULIERT ist, dann befindet sich das Ladegerät 10 in HOCHSTROM- oder RAMP-UP-Modus und der Batterietyp wird als nächstes in Schritt 403 überprüft. Wie oben beschrieben wurde, unterscheidet das Ladeverfahren der vorliegenden Erfindung zwischen Gruppe I und Gruppe II-Batterien und verwendet die Steigung dV/dt des Anschlussspannungsprofils, um die Ladungsaufnahmefähigkeit CAA der Batterie zu bestimmen. Wenn die Batterie eine Nickel-Metallhydrid(NiMH)-Batterie der Gruppe II ist, dann nähert sich die Steigung dV/dt des Anschlussspannungsprofils Null (9), wenn die Ladungsaufnahmefähigkeit erreicht ist, d. h. wenn die Batterie geladen ist. Bei Gruppe I-Batterien erreicht die Steigung dV/dt des Anschlussspannungsprofils hingegen ein Maximum (8), wenn die Ladungsaufnahmefähigkeit erreicht ist. Bei Gruppe I-Batterien wird die Ladungsaufnahmefähigkeit CAA in Schritt 405 berechnet, indem der Unterschied zwischen dem Maximalwert für die Steigung dV/dt_max und die gegebene Steigung dV/dt des Anschlussspannungsprofils bestimmt wird. Der Maximalwert für die Steigung dV/dt_max wird bequem in der Parametertabelle gespeichert. Wenn die Batterie aufgeladen ist, wird der Unterschied zwischen der Maximalsteigung dV/dt_max und der vorliegenden Steigung dV/dt kleiner und die Ladungsaufnahmefähigkeit wird erreicht, wenn CAA = 0 in Schritt 405.
Das Anschlussspannungsprofil wird während einem Variationsintervall im Ladestrom gemessen oder mittels des Ladestroms I und des Innenwiderstands der Batterie aus der Anschlussspannung berechnet, wenn der Strom nicht unterbrochen ist. Wie in 7 gezeigt wird, kommt es, wenn der Ladestrom I unterbrochen oder variiert wird, zu einem Abfall in der Anschlussspannung (dargestellt durch die Kurve in 7), der zwei Komponenten oder Phasen umfasst: Spannung V_R und Spannung V_D. Die Spannung V_R ist eine Spannungsverlagerung und tritt beinahe gleichzeitig auf, nachdem der Ladestrom I variiert worden ist, wie zum Zeitpunkt T₁ in 7 angezeigt ist. Die Spannungsverlagerung ΔV_R wird fast vollständig durch Ohmsche Verluste innerhalb der Batterie verursacht (z. B. Ohmsche Verluste in den Polen, Platten, Interzellenverdrahtung und dergleichen). Die zweite Komponente umfasst eine Spannungsveränderung ΔV_D in der Anschlussspannung. Die Spannungsveränderung ΔV_D weist eine Steigung dV/dt auf und gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird die Steigung dV/dt des Anschlussspannungsprofils dazu verwendet, um die Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie zu ermitteln.
Bezugnehmend auf 6 wird bei einer Gruppe II-Batterie, d. h. Nickel-Metallhydrid, die Ladungsaufnahmefähigkeit CAA in Schritt 407 berechnet. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung erreicht die Steigung dV/dt des Anschlussspannungsprofils ein Minimum, wenn die Batterie aufgeladen ist. In Schritt 407 wird die Ladungsaufnahmefähigkeit CAA als Unterschied zwischen der Minimialsteigung dV/dt_min und der gegebenen Steigung dV/dt des Anschlussspannungsprofils berechnet. Bei einer NiMH-Batterie nähert sich der Unterschied zwischen der Minimalsteigung dV/dt_min und der Steigung dV/dt Null.
Bezugnehmend auf 6, wird in Schritt 409 der Counter-Flag „n" überprüft, wenn das Ladegerät in NIEDRIGSTROM-Modus, d. h. STATUS = REGULIERT ist WAHR, betrieben wird. Im REGULIERT-Modus wird die Ladungsaufnahmefähigkeit CAA überwacht, um den Ladestrom I in einer optimalen Höhe zu halten. (Der Counter-Flag n wird durch die Reguliert-Prozedur gesetzt, wie untenstehend beschrieben wird). Beim ersten Ja nachdem der REGULIERT-Zustand begonnen hat, ist der Flag n Eins und die Prozedur 400 geht zu Schritt 415 über. In Schritt 411 wird ein Parameter I·dV/dl aktualisiert. Der Parameter I·dV/dl repräsentiert die Stufenveränderungen im Ladestrom I während der Regulierungsphase und die resultierenden Veränderungen in der Spannung dV. Die Beziehung zwischen den Stufenabnahmen im Ladestrom I und den Veränderungen dV in der Anschlussspannung ist in 10 dargestellt. Um die Berechnung zu vereinfachen, ist die Stufengröße, um den Ladestrom I zu verringern, so gewählt, dass I/dl eine Konstante ist. Dementsprechend muss dann in Schritt 411 nur die Veränderung in der Spannung dV gemessen werden. Als nächstes wird in Schritt 413 die Ladungsaufnahmefähigkeit CAA als Unterschied zwischen der ersten Erfassung (I· dV/dl)₁ und der vorliegenden Erfassung (I·dV/dl)_n berechnet. Die erste Erfassung (I· dV/dl)₁ entspricht dem Zustand, in dem CAA Null ist, d. h. die Batterieladungsaufnahmefähigkeit erreicht worden ist. Wenn der in Schritt 413 berechnete Ladungsaufnahmefähigkeitswert nicht Null ist, bedeutet dies, dass die Batterie nicht vollständig aufgeladen ist und die Punkteinstellung kann erhöht werden. Wenn der Counter-Flag n WAHR ist (d. h. n = 1 in Schritt 409), dann wird die Ladungsaufnahemfähigkeit CAA in Schritt 415 auf Null gesetzt, um anzuzeigen, dass die Batterie geladen ist und die Erfassung (I·dV/dl)₁ wird in Schritt 417 aktualisiert. Die Steuerung kehrt dann zur Aufrufprozedur bei Schritt 419 zurück.
Bezugnehmend auf 3 und die Ramp-up-Prozedur 300 überprüft die Prozedur 300 bei Schritt 303, ob die Ladungsaufnahmefähigkeit CAA größer ist als Null. Wenn die CAA größer ist als Null, dann ist die Batterie nicht vollständig aufgeladen und der Ladestrom I kann weiter erhöht oder gesteigert werden. In Schritt 305 wird der Ladestrom I inkrementell erhöht. In Schritt 307 wird die Einstellung für den Ladestrom I mit der maximal zulässigen Stromeinstellung I_max (gespeichert in der Parametertabelle) verglichen. Wenn der Maximalwert für den Ladestrom I erreicht ist, dann wird das Status-Flag in Schritt 309 auf HOCH gesetzt, um anzuzeigen, dass das Ladergerät 10 mit hohem Strom betrieben wird und daher der Anstieg des Ladestroms I vollständig ist. In Schritt 311 kehrt die Ramp-up-Prozedur 300 zur Ladegerätsteuerung 100 zurück.
Wie in 3 gezeigt wird, überprüft die Ramp-up-Prozedur 300, wenn die Ladungsaufnahmefähigkeit CAA nicht größer als Null ist, in Schritt 313 ob die Ladungsaufnahmefähigkeit CAA gleich Null ist. Wenn die Ladungsaufnahmefähigkeit CAA nicht gleich Null ist, d. h. negativ ist, dann ist die Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie überschritten worden und der Ladestrom I wird dementsprechend in Schritt 315 verringert. Wenn die Ladungsaufnahmefähigkeit CAA Null ist (oder der maximale Ladestrom noch nicht erreicht worden ist – Schritt 307 wie oben beschrieben), dann vergleicht die Ramp-up-Funktion 300 in Schritt 317 die Erfassung der Anschlussspannung (d. h. widerstandsfrei) V_rf (d. h. ermittelt während einer Variation im Ladestrom I) mit der Punkteinstellungsspannung SV_ref. Wenn die Spannungserfassung V_rf die Punkteinstellungsspannung SV_ref übersteigt, sollte der Ramp-up-Vorgang beendet werden und das Status-Flag in Schritt 319 auf „Reguliert" gesetzt werden und das Counter-Flag „n" in Schritt 321 auf Null eingestellt werden, um anzuzeigen, dass die Reguliert-Phase begonnen hat. (Das Counter-Flag „n" wird von der Ladungsaufnahme-Prozedur 400 wie oben beschrieben verwendet). Wenn die Anschlussspannung V_rf immer noch unter der Punkteinstellungsspannung SV_ref liegt, überprüft die Ramp-up-Prozedur 300 in Schritt 323, ob die Zeit für das Erhöhen des Ladestroms I abgelaufen ist. Wenn der Ramp-up-Strom beispielsweise innerhalb einer vorbestimmten Zeit nicht erreicht wird, dann könnte eine Störung vorliegen und ein solcher Zustand sollte gekennzeichnet werden. Die Ramp-up-Prozedur 300 kehrt dann in Schritt 311 zur Aufrufprozedur zurück.
Bezugnehmend auf 2 überprüft das Ladungssteuerungsprogramm 100, ob der Status in Schritt 113 auf HOCH gesetzt worden ist. Der Status wird durch die Ramp-up-Prozedur 300 auf HOCH gesetzt, wenn der maximale Ladestrom I_max wie oben beschrieben erreicht worden ist. Wenn der Status HOCH ist, dann ruft das Ladungssteuerungsprogramm 100 in Schritt 115 eine Hochstromsteuerungsprozedur 500 auf. Bezugnehmend auf 4 steuert die Hochstromsteuerungsprozedur 500 den Ladestrom I, wenn er auf den Maximalwert I_max erhöht worden ist. Wie in 4 gezeigt wird, umfasst der erste Vorgang das Aktualisieren des Werts für die Anschlussspannung V_rf in Schritt 501. Die Anschlussspannung V_rf wird in Schritt 501 auf Basis der durch das Datenerfassungsmodul 201 erhaltenen derzeitigen Werte für die Spannung V, den Strom I und den Widerstand R aktualisiert. Die Anschlussspannung oder widerstandsfreie Spannung wird gemäß folgendem Ausdruck berechnet:
und der Widerstand R wird gemäß folgendem Ausdruck berechnet: R = (VHi – Vlow)/(IHi – ILow)
Die Erfassung der Spannung und des Stroms erfolgt, wenn der Ladestrom I unterbrochen oder variiert wird. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung stellt die Variation des Ladestroms I ein Fenster bereit, um die Spannungs- und Stromparameter zu messen, um die Anschlussspannung, d. h. widerstandsfreie Spannung, V_rf der Batterie zu berechnen. Die Variationen im Ladestrom I werden durch das Reglermittel 12 und die programmierbare Stromversorgung gesteuert (11). Geeignete Variationen im Strom I schließen eine Stufenveränderung (z. B. der Strom wird abgeschaltet, auf einen Wert ungleich Null gesenkt oder erhöht), eine lineare Veränderung, eine sinusförmige Veränderung, eine exponentielle Veränderung und eine logarithmische Veränderung ein.
Als nächstes überprüft die Hochstromsteuerungsprozedur 500 in Schritt 503, ob der Wert für die Anschlussspannung V_rf geringer ist als die Punkteinstellungsspannung SV_ref. Wenn die Spannung V_rf geringer ist als die Punkteinstellungsspannung SV_ref, dann wird die Ladungsaufnahmefähigkeit CAA der Batterie in Schritt 505 aktualisiert. Die Ladungsaufnahmefähigkeit CAA der Batterie wird wie mit Verweis auf 6 beschrieben worden ist berechnet. Wenn die Ladungsaufnahmespannung CAA größer ist als Null (Schritt 507), dann kann die Batterie mehr Ladestrom aufnehmen und die Punkteinstellungsspannung SV_ref wird in Schritt 509 dementsprechend erhöht. Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird die Punkteinstellungsspannung SV_ref unter Verwendung der Ladungsaufnahmefähigkeit CAA der Batterie optimal eingestellt.
Als Sicherheitstest wird die in Schritt 509 eingestellte Punkteinstellungsspannung SV_ref in Schritt 511 mit einer maximalen Punkteinstellungs-Referenzspannung (SV_ref)_max verglichen. Wenn die maximale Punkteinstellungsspannung (SV_ref)_max erreicht worden ist, könnte ein weiteres Laden die Batterie beschädigen, so dass der Ladezustand in Schritt 513 auf „REGULIERT" gesetzt wird. Ähnlich wird der Ladezustand, wenn die Ladungsaufnahmefähigkeit CAA nicht größer als Null ist (Schritt 507), in Schritt 513 auf REGULIERT eingestellt. Als nächstes wird der Counter-Flag „n" in Schritt 515 auf Null zurückgesetzt, und die Hochstromsteuerungsprozedur kehrt zum Ladungssteuerungsmodul 102 zurück (Schritt 517).
Bezugnehmend auf 2 überprüft das Ladungssteuerungsprogramm 102 als nächstes in Schritt 117, ob der Status auf den REGULIERT-Betrieb eingestellt ist. (Wie oben beschrieben, setzt die Hochstromsteuerungsprozedur 500 den Status auf REGULIERT). In Schritt 119 wird eine Ladestrom-Regulierprozedur 600 durch das Ladungssteuerungsprogramm 102 aufgerufen. Die Funktion der Ladestrom-Regulierprozedur 600 ist es, den Ladestrom I zu regulieren, um das Laden der Batterie zu beenden oder zu vervollständigen.
Es wird auf 5 Bezug genommen, in der die Stromregulierprozedur 600 detaillierter dargestellt ist. In Schritt 601 berechnet die Regulierprozedur 601 unter Verwendung der durch das Datenerfassungsmodul 126 (2) erhaltenen Spannungs-, Strom- und Widerstandswerte den Stromwert für die Anschlussspannung, d. h. widerstandsfreie Spannung, V_rf. Als nächstes wird in Schritt 603 die aktualisierte Anschlussspannung V_rf mit der Punkteinstellungsspannung SV_ref verglichen. Wenn die Spannung V_rf größer ist als die Punkteinstellungsspannung SV_ref, bestimmt die Stromregulierprozedur 600, ob in Schritt 605 ein Ausgleichsvorgang durchgeführt werden muss. Ein Ausgleichsvorgang beinhaltet das Überladen der Batterie am Ende eines Ladezyklus mit einem erhöhten Ladestrom I. Der Zweck des erhöhten Ladestroms liegt darin, sämtliche Zellen in der Batterie voll aufzuladen. Der Ausgleichsvorgang wird typischerweise einmal nach 50 Ladezyklen einer Batterie durchgeführt. Wenn ein Ausgleichsvorgang durchgeführt wird, wird der Ladestrom I in Schritt 607 mit dem Ausgleichsstrom I_eq verglichen. Wenn der Ladestrom I geringer ist als der vorbestimmte Ausgleichsstrom I_eq, dann wird der Ladestrom I in Schritt 609 auf den Ausgleichswert I_eq eingestellt und der Ladestatus wird in Schritt auf AUSGLEICHEN gesetzt. Die Regulierprozedur 600 kehrt dann in Schritt 613 zum Ladungssteuerungsprogramm 102 zurück.
Bezugnehmend auf 5 rückt das Counter-Flag „n" vor, wenn kein Ausgleich ausgewählt worden ist (Schritt 605) oder der Ladestrom I den Ausgleichsstrom überschreitet (Schritt 607). Als nächstes wird in Schritt 615 der Ladestrom I inkrementell verringert, da die Punkteinstellungsspannung erreicht worden ist. In Schritt 619 wird die Ladungsaufnahmefähigkeit CAA berechnet, indem die Ladungsaufnahmeprozedur 400 aufgerufen wird (wie oben mit Verweis auf 6 beschrieben wurde). Die Stufenveränderung im Ladestrom I in Schritt 617 stellt eine praktische Variation im Ladestrom bereit, um die Steigung dV/dt zu ermitteln. Wenn die Ladungsaufnahmefähigkeit CAA, die in Schritt 619 ermittelt worden ist, größer ist als Null (Schritt 621), dann kann die Batterie mehr Ladung aufnehmen und die Punkteinstellungsspannung SV_ref wird in Schritt 623 überprüft. Wenn die Punkteinstellungsspannung SV_ref bereits die maximale Punkteinstellungs-Referenzspannung (SV_ref)_max aufweist, dann kehrt das Verfahren 600 in Schritt 613 zum Ladungssteuerungsprogramm 102 zurück. Andererseits wird, wenn die maximale Punkteinstellungs-Referenzspannung (SV_ref)_max nicht erreicht worden ist, die Punkteinstellungsspannung SV_ref in Schritt 625 inkrementell erhöht und die Steuerung wird zum Ladungssteuerungsprogramm 102 zurückgebracht.
Bezugnehmend auf 2 wird als nächstes in Schritt 121 das Ende des Ladezyklus überprüft. Das Ende des Ladezyklus wird bestimmt, indem ein oder mehrere ausgewählte Parameter betrachtet werden. Die Parameter schließen die verstrichene Zeit, den Wert der Coulombladung Q, den Wert für den Ladestrom im Vergleich zum minimalen Ladestrom I_min und die Veränderungsrate der Batteriespannung dV/dt ein. Wenn der an die Batterie angelegte Ladestrom beispielsweise langsam auf den Minimalwert I_min gesunken ist, dann wird angenommen, dass die Batterie geladen worden ist, d. h. es kann keine weitere Ladung aufgenommen werden. Ähnlich wird angenommen, dass die Batterie aufgeladen ist, wenn die Veränderungsrate der Batteriespannung im Wesentlichen Null ist.
Auf der Basis eines Ladungsendzustands in Schritt 121 wird in Schritt 123 eine normale Ladungsendsequenz aufgerufen. Wenn eine End- oder Ausgleichsladung (5) angelegt wird, dann entspricht das Ladungsende dem Abschluss der Ladungsendsequenz. Das Ende der Ladungssequenz (Schritt 123) schließt ein systematisches Herunterfahren der programmierbaren Stromversorgung 16 (11), d. h. des Ladestrom I und anderer Hardware-Vorrichtungen gefolgt vom Erscheinen einer Benachrichtigung auf der Anzeige 14 ein.
Wenn das Zyklusende nicht erreicht worden ist, fährt der Ladevorgang fort und die Sicherheitslimits werden in Schritt 125 überprüft. Der Sicherheitstest in Schritt 125 stellt sicher, dass der Ladezyklus immer noch innerhalb der vorgeschriebenen Sicherheitslimits verläuft. Die in Schritt 125 überprüften Parameter schließen die maximal zulässige Spannung V_max, die minimale Spannung V_min, die maximal zulässige Batterietemperatur T_max, die maximal zulässige Coulombladung Q_max, den Batterieinnenwiderstand R und den Batteriedruck P ein. Die maximal zulässigen Werte für diese Parameter hängen von den elektrochemischen Eigenschaften der zu ladenden Batterie ab und können bequem in der Parametertabelle gespeichert werden.
Wenn eines der Sicherheitslimits in Schritt 125 überschritten worden ist, wird in Schritt 127 ein Störungszustand eingegeben und der Ladezyklus in Schritt 129 beendet. Die Beendigung des Ladezyklus wird auf dem Anzeigefeld 14 angezeigt.
Wenn andererseits kein Sicherheitslimit überschritten worden ist, wird der Ladezyklus fortgesetzt und die Verfahrenssteuerung-Parameter und Daten werden in Schritt 131 aktualisiert. Die Steuerungsparameter und -daten steuern die Höhe und Anwendung (d. h. Variation) des Ladestroms, der an die Batterie angelegt werden soll. Die Steuerungsparameter werden dann an das Echtzeit-Steuerungsmodul 202 weitergeleitet, um die Hardware-Vorrichtungen, z. B. die programmierbare Stromversorgung 16, zu steuern.

Claims

Vorrichtung (10) zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie (20), wobei die Vorrichtung umfasst: Generatormittel (16) zum Erzeugen eines Ladestroms (18) mit einer variablen Höhe, und wobei der Strom während eines ersten Ladezeitraums eine Höhe hat, um die Batterie rasch mit einer Rate in Ampere zu laden, die über der Kapazität der Batterie in Ampere-Stunden liegt; Reglermittel (12) zur Steuerung des Generatormittels, wobei das Reglermittel umfasst: (a) Mittel (102) zum Variieren des Ladestroms für ein vorbestimmtes Variationsintervall; sowie (b) Mittel (22) zur Regulierung der Höhe des Ladestroms, dadurch gekennzeichnet, dass das Reglermittel weiters umfasst: (c) Mittel (28) zur Erzeugung eines Anschlussspannungsprofils für die Batterie im Variationsintervall; sowie (d) Mittel (400) zum Bestimmen einer Ladungsaufnahmefähigkeit für die Batterie aufgrund des Anschlussspannungsprofils, zur Verwendung bei der Regulierung der Höhe des Ladestroms.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin das Mittel zum Bestimmen einer Ladungaufnahmefähigkeit für die Batterie Mittel zur Erzeugung einer Anstiegserfassung für das Anschlussspannungsprofil sowie Mittel zum Bewerten der Anstiegserfassung zum Bestimmen der Ladungsaufnahmefähigkeit umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, worin sich die Anstiegserfassung für eine Batterie, die zu einer ersten Gruppe gehört, die Blei-Säure- und Nickel-Kadmium-Batterien umfasst, einem Maximalwert nähert, wenn die Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie annähernd erreicht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, worin die Anstiegserfassung für eine Batterie, die zu einer zweiten Gruppe gehört, die Nickel-Metallhydrid-Batterien umfasst, eine flache Charakteristik aufweist, wenn die Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie annähernd erreicht wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin das Mittel zum Variieren des Ladestroms Mittel zum Variieren des Ladestroms auf einer periodischen Basis umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiters umfassend Mittel zum Einstellen eines Punkteinstellungs-Spannungsparameters, wobei das Reglermittel auf den Punkteinstellungs-Spannungsparameter anspricht, um den Ladestrom zu steuern, und das Mittel zum Einstellen auf die Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie anspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin, sobald die Ladungsaufnahmefähigkeit erreicht ist, das Reglermittel (12) den Ladestrom in diskreten Schritten verringert, so dass der Ladestrom die Ladungsaufnahmefähigkeit für die Batterie nicht übersteigt.
Verfahren zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie, folgende Schritte umfassend: (a) das Erzeugen eines Ladestroms mit einer variablen Höhe; (b) das Halten des Ladestroms während eines ersten Ladezeitraums auf einer Höhe, um die Batterie rasch mit einer Rate in Ampere zu laden, die größer als die Kapazität der Batterie in Ampere-Stunden ist; (c) das Ändern der Höhe des Ladestroms für ein vorbestimmtes Intervall; gekennzeichnet durch: (d) das Erzeugen eines Anschlussspannungsprofils für die Batterie im vorbestimmten Intervall; (e) das Bestimmen einer Ladungsaufnahmefähigkeit für die Batterie aus dem Anschlussspannungsprofil; und (f) das Steuern der Höhe des Ladestroms als Reaktion auf die Ladungsaufnahmefähigkeit.
Verfahren nach Anspruch 8, worin der Schritt des Erzeugens eines Anschlussspannungsprofils das Erhalten einer Anstiegserfassung für das Anschlussspannungsprofil umfasst und der Schritt des Bestimmens einer Ladungsaufnahmefähigkeit das Bewerten der Anstiegserfassung umfasst, um die Ladungsaufnahmefähigkeit zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 9, worin eine Batterie, die zu einer ersten Gruppe gehört, die Blei-Säure und Nickel-Kadmium-Batterien umfasst, einen maximalen Wert aufweist, wenn die Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie annähernd erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, worin eine Batterie, die zu einer zweiten Gruppe gehört, die Nickel-Metallhydrid-Batterien umfasst, eine flache Charakteristik aufweist, wenn die Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie annähernd erreicht wird.
Verfahren zum Bestimmen der Ladungsaufnahmefähigkeit für eine Batterie während des Ladezyklus, wenn ein Ladestrom an eine wiederaufladbare Batterie angelegt wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: (a) das Erhöhen des Ladestroms auf eine vorbestimmte Höhe; (b) das Unterbrechen des Erhöhens des Ladestroms und Konstant-Halten des Ladestroms für ein Unterbrechungsintervall; gekennzeichnet durch (c) das Erhalten einer ersten Anstiegserfassung während des Unterbrechungsintervalls durch Messen der Rate der Änderung der Anschlussspannung der Batterie; (d) das Bestimmen der Ladungsaufnahmefähigkeit für die Batterie aufgrund der ersten Anstiegserfassung.
Verfahren nach Anspruch 12, worin der Schritt des Bestimmens der Ladungsaufnahmefähigkeit das Bewerten der Anstiegserfassung auf Basis des Chemie-Typs für die Batterie umfasst.
Verfahren nach Anspruch 13, worin sich die Anstiegserfassung für eine Batterie, die zu einer ersten Gruppe gehört, die Blei-Säure- und Nickel-Kadmium-Batterien umfasst, einem maximalen Wert annähert, wenn die Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie annähernd erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 13, worin die Anstiegserfassung für eine Batterie, die zu einer zweiten Gruppe gehört, die Nickel-Metallhydrid-Batterien umfasst, eine flache Charakteristik aufweist, wenn die Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie erreicht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, weiters umfassend die Schritte des periodischen Variierens des Ladestroms, nachdem die vorbestimmte Höhe erreicht ist, des Erhaltens einer Anstiegserfassung für jede periodische Variation, des Bestimmens der Ladungsaufnahmefähigkeit für die Batterie aufgrund der nachfolgenden Anstiegserfassung, und des Einstellens des Ladestroms, wenn die Ladungsaufnahmefähigkeit der Batterie überschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 16, worin der Schritt des Einstellens des Ladestroms die schrittweise Verringerung der Höhe des Ladestroms umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, weiters umfassend die Schritte des Aktualisierens der Anstiegserfassung während der schrittweisen Verringerung des Ladestroms und des Bestimmens der Ladeaufnahmefähigkeit für die Batterie aufgrund der aktualisierten Anstiegserfassung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, weiters umfassend die Schritte der Verringerung des Ladestroms, sobald die Ladungsaufnahmefähigkeit erreicht ist, so dass der Ladestrom die Ladungsaufnahmefähigkeit für die Batterie nicht übersteigt.