Method of charging accumulators.

Description of equivalent WO 9314548 A1

0001Verfahren zum Laden von Akkumulatoren

0002Stand der Technik

0003Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden von Akkumulatoren nach der Gattung des Anspruchs 1, außerdem ein Ladegerät für Akkumulatoren gemäß Oberbegriff des Anspruchs 6.

0004In elektrischen Geräten werden zunehmend Batterien durch Wechselakkumulatoren ersetzt, beispielsweise in Elektrowerkzeugen. Die Akkumulatoren weisen ein¬ zelne in Reihe geschaltete Zellen auf, bei¬ spielsweise NiCad- aber auch NiH-Zellen auf. Zur Erfassung der Zellentemperatur werden geeignete Sensoren, beispielsweise NTC-Widerstände oder Di¬ oden, zwischen die Zellen eingebracht. Beim Wieder¬ aufladen der Akkumulatoren werden verschiedene Ab- schaltkriterien berücksichtigt, beispielsweise Tem¬ peratur-, Spannungs- oder Zeitabschaltung. Auch werden häufig mehrere Kriterien kombiniert. Beschä¬ digungen der Zellen konnten auch dann noch vermie¬ den werden, wenn bei Ladezeiten bis zu einer Stunde bei der Berücksichtigung eines der Abschalt¬ kriteriums ein Fehler auftrat. Vorteile der Erfindung

0005Das erfindungsgemäße Verfahren mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen, so wie die Vorrichtung gemäß Anspruch 6 haben demgegenüber den Vorteil, daß schonende Ladezyklen gewährleistet sind, die die Lebensdauer der Zellen verlängern, auch wenn die Ladezeit wesentlich verkürzt wird.

0006Durch den Einsatz der Fuzzy-Logik können vielfäl¬ tige Randbedingungen berücksichtigt und ein sehr schonendes Ladeverfahren realisiert werden, ohne den Aufwand zur Realisierung des Verfahrens wesent¬ lich zu erhöhen.

0007Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfah¬ rens werden Spannung und Temperatur des Akkumula¬ tors beziehungsweise von dessen Zellen sowie die zeitliche Ableitung dieser Meßwerte erfaßt. Mit Hilfe relativ weniger Signale kann bereits ein sehr schonendes Ladeverfahren realisiert werden.

0008Bevorzugt wird außerdem eine Ausführungsform des Verfahrens, bei der verschiedene Ladevorgänge da¬ nach unterschieden werden können, ob die Temperatur des Akkumulators hoch oder niedrig oder ob die Tem¬ peratur des Akkumulators beziehungsweise der Zellen steigt oder fällt. Durch die Berücksichtigung die¬ ser Meßwerte kann auf einfache Weise ein schonen- dens Laden des Akkumulators sichergestellt werden.

0009Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den üb¬ rigen Unteransprüchen. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines Ladege¬ räts für Akkumulatoren zeichnet sich dadurch aus, daß ein Fuzzy-Prozessor vorgesehen ist. Durch den Einsatz eines derartigen Prozessors ist das Lade¬ gerät besonders geeignet Akkumulatoren schonend aufzuladen damit die Lebensdauer der einzelnen Zel¬ len zu verlängern.

0010Als besonders vorteilhaft hat sich der Einsatz des Verfahrens beziehungsweise des Ladegeräts beim La¬ den von NiCad- und/oder NiH-Akkumulatoren erwiesen.

0011Zeichnung

0012Die Erfindung wird im folgenden Anhang der Zeich¬ nung näher erläutert. Es zeigen:

0013Figur 1 Ein Blockschaltbild eines Ladegeräts;

0014Figur 2 Ein Diagramm zur Verdeutlichung der Durchführung des Verfahrens zum Laden von Akkumulatoren;

0015Figur 3 Mitgliedschaftεfunktionen von Eingangs¬ größen und

0016Figur 4 Die Mitgliedschaftsfunktion einer Aus¬ gangsgröße.

0017Beschreibung der Ausführungsbeispiele

0018Figur 1 zeigt ein sche atisches Blockschaltbild ei¬ nes Ladegeräts 1 zum Landen eines Akkumulators 3. Das Ladegerät ist an eine geeignete Netzversorgung anschließbar. Die abgegriffene Spannung wird durch eine Filterschaltung 5 geglättet und einem Gleich¬ richter 7 zugeführt. Dessen Ausgangssignal wird über einen DC-Wandler 9 an einen Stromregler 11 weitergelei et, an dessen Ausgangsklemmen 13 der Akkumulator 3 angeschlossen ist.

0019Der Akkumulator ist mit einem Temperatursensor ver¬ sehen, der hier als NTC-Widerεtand 15 ausgebildet ist und der hier beispielhaft mit seinem einen Ende an einem Anschluß des Akkumulators 3 angeschlossen ist. Der NTC-Widerstand 15 ist andererseits mit ei¬ ner Eingangsklem e 17 des Ladegeräts 1 verbunden.

0020Das Ladegerät 1 weist einen Mikroprozessor 19 auf, der eine Fuzzy-LogiK 21 umfaßt. An diese werden als Eingangssignale die an dem zu ladenden Akkumulator 3 anliegende Spannung U, deren Ableitung nach der Zeit, bezeichnet als du, die Temperatur T des Akkumulators so wie deren als dT bezeichnete Ablei¬ tung nach der Zeit.

0021Aus Figur 1 ist noch ersichtlich, daß der Mikro¬ prozessor 19 mit einer Meßwertaufbereitungsstufe 20 versehen ist, in welcher die zeitliche Ableitung der Spannung dU/dt sowie die zeitliche Ableitung der Temperatur dT/dt erzeugt werden. Überdies wird in der Signalauf ereitungsstufe 20 eine Glättung der Signale vorgenommen, um möglichst eine fehler¬ freie Weiterverarbeitung zu gewährleisten.

0022Die Eingangssignale werden von der Logikschaltung ausgewertet und daraus der Ladestrom I berechnet, den der Stromregler 11 für den Ladevorgang des Ak¬ kumulators 3 vorgibt. Der Mikroprozessor 19, bezie- hungsweise dessen Fuzzy-Logik 21 sind daher über eine Steuerleitung 23 mit dem Stromregler 11 ver¬ bunden.

0023Anhand des in Figur 2 wiedergebenden Funktionsdia¬ gramms wird das Verfahren zum Laden eines Akkumu¬ lators näher erläutert.

0024Bei der Inbetriebnahme des Ladegeräts 1 in Figur 1 wird das Ladeverfahren in einem ersten Schritt 31 gestartet. Zunächst findet in einem zweiten Schritt 33, eine übliche Initialisierung statt, die dazu dient das Ladegerät in einen betriebsbereiten Zu¬ stand zuversetzen.

0025In einem dritten Schritt 35 wird auf geeignete Weise festgestellt, welcher Art der an die Aus- gangsklemmen 13 des Ladegeräts 1 angeschlossene Ak¬ kumulator 3 ist.

0026In einem weiteren Schritt 37 werden die dem Ladege¬ rät 1 zugeführten Meßwerte erfaßt und im nächsten Schritt 39 für die Auswertungslogik, die Fuzzy-Lo¬ gik 21, aufbereitet.

0027Die aufbereiteten Meßwerte werden im nächsten Schritt 41 von der Fuzzy-Logik aufgearbeitet bezie¬ hungsweise ausgewertet und der für die Ladestromre- gelung erforderliche Ladestrom I berechnet. Die Steuerung des Ladevorgangs wird durch den nächsten Schritt 43 angedeutet.

0028Es erfolgt nun eine Abfrage 45, ob der zu ladende Akkumulator 3 voll ist oder nicht. Ist dies nicht der Fall, fällt das System zurück in den Verfah- rensschritt 37, in welchem die Meßwerte erfaßt wer¬ den und nach einer Meßwertaufbereitung im Schritt 39 in der Fuzzy-Logik aufgearbeitet werden (Schritt 41) . Nach dem Regelschritt 43 erfolgt wiederum die Abfrage 45, ob der Akkumulator voll ist oder nicht.

0029Ist schließlich der Akkumulator auf den gewünschten Ladezustand gebracht, erfolgt in einem weiteren Schritt 47 eine Erhaltungsladung.

0030Solange das Ladegerät 1 nicht leerläuft, wird die Erhaltungsladung aufrecht erhalten. Die Abfrage be¬ züglich des Leerlaufs erfolgt in dem Verfahrens- schritt 49.

0031Wird der Akkumulator von dem Ladegerät 1 abge¬ klemmt, so wird dies in der Leerlaufabfrage 49 er¬ kannt. Bei Anschluß eines neuen zu ladenden Akku¬ mulators fällt das Verfahren zurück in den Schritt 33, der der Initialisierung des Geräts dient. Die oben beschriebenen Verfahrensschritte 35 bis 49 werden dann nacheinander durchgeführt.

0032Aus Figur 1 ist ersichtlich, daß die Fuzzy-Logik- schaltung 21 diverse Eingangssignale verarbeitet. Beispielhaft wurden hier die Temperatur T und die Spannung U des zu ladenden Akkumulators als Ein¬ gangssignale angenommen, . darüber hinaus die Ände¬ rungen dieser Meßwerte über der Zeit.

0033Figur 3 zeigt die sogenannten Mitgliedschaftsfunk- tionen dieser Eingangsgrößen. In dem obersten Dia¬ gramm ist mit μT die Akkumulatortemperatur über der Temperatur in °C. Die Zugehörigkeit ist für verschiedene Klassen auf¬ gezeichnet, nämlich für die Klasse "kleine Akkumu¬ latortemperatur", "normale Akkumulatortemperatur" und "hohe beziehungsweise große Akkumulatortempera¬ tur" eingetragen. Die Zugehörigkeit ist kontinuier¬ lich zwischen dem Wert "0" und dem Wert "1" aufge¬ tragen, wobei dem Wert "0" die Aussage "keine Zuge¬ hörigkeit" und dem Wert "1" die 100%-ige Zugehörig¬ keit zugeordnet sind.

0034Die Klassen sind hier so eingeteilt, daß die erste Klasse "kleine Akkumulatortemperatur" die Zugehö¬ rigkeit "1" für alle Werte unter -4 °C annimmt. Die Zugehörigkeit dieser Klasse fällt dann von dem Wert "1" bei -4 °C auf den Wert "0" bei +7 °c

0035Die zweite Klasse "Akkumulatortemperatur normal" weist einen ansteigenden Zugehorigkeitsgrad von dem Wert "0" für -4 °C bis zum Wert "1" bei +7 °C auf. Die Zugehörigkeit behält den Wert "1" bis +45 °C bei und fällt dann auf den Wert "0" bei +65 °C ab.

0036Die dritte Klasse der Akkumulatortemperatur weist eine ansteigende Zugehörigkeit von +45 bis +65 °C auf. Die Zugehörigkeit behält den Wert "1" für alle Temperaturen oberhalb +65 °C bei.

0037In dem zweitobersten Diagramm gemäß Figur 3 ist die Mitgliedschaftsfunktion für die Akkumulatrospannung pro Zelle wieder gegeben. Durch die Bezeichnung μU soll angedeutet werden, daß hier ein bewerteter Spannungswert für die Regelung des Ladevorgangs herangezogen wird. Es wird hier von der Zugehörigkeit zu zwei Klassen ausgegangen, nämlich zu einer ersten Klasse "kleine AkkumulatorSpannung" und zu einer zweiten Klasse "große AkkumulatorSpannung" .

0038Die Zugehörigkeit ist auch hier durch den Kurven¬ verlauf zwischen dem Wert "1" und "0" angegeben. Hundertprozentige Zugehörigkeit, das heißt, der Wert "1" ist, einer Akkumulatorspannung von < 1,5 V/Zelle definiert. Die Zugehörigkeit dieser Klasse sinkt dann auf den Wert "0" für die Spannung 1,6 V pro Zelle.

0039Die zweite Klasse "große Akkumulatorspannung" be¬ ginnt ausgehend von dem Werten "0" bei 1,5 V/Zelle und nimmt bei 1,6 V/Zelle den Wert "1" an.

0040Das dritte Diagramm in Figur 3 zeigt die Änderung der Akkumulatortemperatur über der Zeit, wobei als Einheit mK/s gewählt ist.

0041Es sind hier drei Klassen zu unterscheiden, nämlich "negative Temperaturänderung", "positive Tempera¬ turänderung" und "sehr große positive Temperaturän¬ derung".

0042Die Zugehörigkeit der ersten Klasse "negative Tem¬ peraturänderung" hat für dT/dt = -20 mK/s den Wert "1" und fällt bis dT/dt = 13 mK/s auf den Wert "0" ab. Die Zugehörigkeit der zweiten Klasse steigt vom Wert "0" bei dT/dt = -20 mK/s auf den Wert "1" bei dT/dt = 13 mK/s an und fällt ab dT/dt = 27 mK/s auf den Wert "0" ab, der bei dT/dt = 85 mK/s erreicht wird. Entsprechend steigt die Zugehörigkeit der dritten Klasse "sehr große positive Temperaturänderung" zwischen dT/dt = 27 mK/s und dT/dt = 85 mK/s von "0" auf den Wert "1" an.

0043Schließlich ist im vierten Diagramm gemäß Figur 3 die am Akkumulator liegende Spannungsanderung über der Zeit eingetragen, wobei die Änderung dU/dt die Einheit mV/Zelle,s aufweist, also in mV pro Zelle und Sekunde gemessen wird.

0044Die Zugehörigkeit der Spannungsanderung .μdU weist auch hier drei Klassen auf, nämlich "negative Span¬ nungsänderung", "positive Spannungsanderung" und "sehr große positive Spannungsanderung".

0045Die erste Klasse "negative Spannungsänderung" hat den Wert "1" bei dU/dt = -0,6 mV/Zelle,ε und fällt dann bis dU/dt = -0,1 mV/Zelle,ε auf den Wert "0" ab.

0046Innerhalb dieεeε Wertebereicheε εteigt die Zugehö¬ rigkeit der zweiten Klaεεe von dem Wert "0" auf den Wert "1" an, um dann zwiεchen den Werten 0,6 und 1,5 mV/Zelle,ε auf den Wert "0" abzufallen.

0047Entεprechend ist ein Anstieg der Zugehörigkeit von dem Wert "0" auf den Wert "1" in der Klasse "sehr große Spannungsänderungen" zu beobachten. Oberhalb von 1,5 mV/Zelle,ε bleibt der Wert der Zugehörig¬ keit der dritten Klasse erhalten.

0048Selbstverständlich sind die Zahlenwerte für die Übergangεbereiche zwiεchen zwei Klassen innerhalb der einzelnen Mitgliedschaftsfunktionen hier ledig- lieh beispielhaft gewählt. Deren Festlegung kann an die zu ladenden Akkumulatoren angepaßt werden.

0049Figur 4 zeigt nun die Mitgliedschaftεfunktion der Ausgangsgröße μl, also des Ladestroms, der dem Akkumulator 3 über die Anschlußklemmen 13 in Abhängigkeit von dem auf der Steuerleitung 23 an¬ liegenden Steuersignal vom Stromregler 11 einge¬ speist wird.

0050Für den in Ampere gemessenen Ladestrom I werden vier Klassen unterschieden, die Ladeströmen von OA,^* 2A, 4A und 6A zugeordnet werden.

0051Die Zugehörigkeit der Klasse OA steigt von dem Wert "0" auf den Wert "1" zwiεchen -2A und OA, um dann zwiεchen OA und +2A wiederum den Wert "0" anzuneh¬ men.

0052Die Zugehörigkeit der Klaεse 2A geht aus von dem Wert "0" bei OA, erreicht den Wert "1" bei +2A und fällt dann wiederum auf den Wert "0" ab, der bei 4A erreicht wird.

0053Der Zugehorigkeitsgrad der Klasse 4A steigt zwi¬ schen +2A und 4A von "0" auf "1" unf fällt dann wiederum auf den Wert "0" ab, der bei 6A erreicht ist.

0054Schließlich ist für die Klasse 6A zwischen 4A und

00556A ein Anstieg des Zugehörigkeitsgrads von "0" auf

0056"1" festzustellen und anschließend ein Abfall auf den Wert "0" bei 8A. Die mit Hilfe des Ladegerätes gemäß Figur 1 bezie- hungεweiεe der Mitgliedschaftsfunktionen realisier¬ baren Ladeströme ergeben sich aus der Auswertung der Eingangsgrößen, wie εie in Figur 3 wiedergeben sind. Aus der folgenden Tabelle ist der dabei fest¬ stellbare Regelεatz ableεbar, auε dem εich die La¬ deströme für die verschiedenen Lade- beziehungs¬ weise Temperaturzustände eines Akkumulators ablesen lassen. Mit x εind in der folgenden Tabelle die Meßwerte gekennzeichnet, . die ohne Gewichtung blei¬ ben.

0057Geht man beispielsweiεe in der Tabelle auf die er¬ ste Zeile des Regelsatzes ein, so ergibt sich dar¬ aus, daß der Ladestrom I den Wert OA annimmt, wenn die gewichtete Akkumulatorspannung pro Zelle groß ist. Dabei spielen weder die Temperatur noch deren zeitliche Änderung noch die Änderung der Akkumula¬ torspannung pro Zeit eine Rolle.

0058Andere -mit x gekennzeichnete- Ξpannungszustände des Akkumulators bleiben ohne Berücksichtigung. Es wirken εich in diesem Fall nur die übrigen Ein¬ gangsgrößen auf die Einstellung des Ladestroms auε. Eε iεt allerdings auch ersichtlich, daß bei einer kleinen Temperatur des Akkumulators sowohl bei ei¬ ner negativen als auch bei einer poεitiven Tempera¬ turänderung die Spannungsänderung am Akkumulator unberücksichtigt bleibt. Im ersten Fall, bei einer negativen Temperaturänderung, stellt sich ein Lade¬ strom von I = 4A, bei einer poεitiven Temperaturän¬ derung des Akkumulatros ein Ladestrom von I = 6A.

0059Dem Regelsatz iεt überdieε zu entnehmen, daß bei einer hohen Temperatur des Akkumulators die Span- nungsänderung du ebenfalls ohne Einfluß bleibt. Je nach dem, ob die Tem er turänderung des Akkumula¬ tors negativ, positiv oder sehr stark positiv ist, stellt sich ein Ladestrom von 2A, OA und OA ein.

0060In den übrigen Fällen gehen die Temperatur, die Än¬ derung der Spannung pro Zeit und die Änderung der Temperatur über der Zeit in die Einstellung des La- deεtromε I ein. Die jeweiligen Werte lassen sich aus der nachfolgenden Tabelle ablesen.

0061<img file="WO9314548A1_D0001.tif" /> Durch den Einsatz der Fuzzy-Logik ist es möglich, die Spannung und die Temperatur sowie die zeitli¬ chen Ableitungen dieser Werte an einem Akkumulator während eines Ladevorgangs zu erfasεen. Dabei ist eine Verknüpfung mit den Begriffen "Spannung hoch", "Spannung niedrig", "Spannung steigt" oder "Span¬ nung fällt" möglich, wobei die Begriffe "Temperatur hoch", "Temperatur niedrig", "Temperatur steigt" oder "Temperatur fällt" ebenfalls mit den genannten Begriffen verknüpft werden können. Auf jeden Fall ist sichergestellt, daß unter unterschiedlichen Be¬ dingungen immer ein optimaler Ladestrom eingestellt wird, so daß eine schonende Ladung von Akkumulato¬ ren realisierbar ist und eine beεonderε lange Le¬ bensdauer der einzelnen Zellen des Akkumulators si¬ chergestellt ist.

0062Vorzugsweiεe können bei der Einεtellung des Lade¬ raums die Regelwerte von Temperatur und Spannung eines Akkumulators -und auch die Ableitungen nach der Zeit- über mehrere Meßzyklen gemittelt werden, um einen möglichst gleichmäßigen und damit schonen¬ den Ladevorgang zu gewährleiεten.

0063Durch die Erfassung der verschiedenen Randbedingun¬ gen kann auch bei einer starken Verkürzung der La¬ dezeit auf 15 oder gar 5 Minuten eine Schonung der Akkumulatoren eingehalten werden.

0064Aus dem oben Gesagten ergibt sich ohne weiteres, daß sowohl das Verfahren als auch das erläuterte Ladegerät sehr wohl geeignet sind, bei Ladeverfah¬ ren von NiCad- oder NiH-Zellen aufweisenden Akkumu¬ latoren eingesetzt zu werden.