DE3440430A1

DE3440430A1 - Method and device for charging accumulators

Info

Publication number: DE3440430A1
Application number: DE19843440430
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. 8520 Erlangen Tietze
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1984-11-06
Filing date: 1984-11-06
Publication date: 1986-05-07

Abstract

In a method for charging accumulators, in which continuous voltage monitoring is carried out and the charging process is controlled as a function thereof, the voltage value is determined at time intervals, particularly in a predetermined time sequence, during an interruption in the charging current. The method can be carried out using an apparatus which has a control unit with a time transmitter for the pulsed disconnection and/or inversion of the current and switching devices, by means of which the elements for determining voltage can be switched on with the charging current disconnected.

Description

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Beschrei bungDescription

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden von Akkumulatoren sowie eine Ladevorrichtung, die insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, aber auch gegebenenfal Ls anderweitig verwendbar ist.The invention relates to a method for charging accumulators and a charging device which is particularly suitable for carrying out the method according to the invention, but also, if necessary, otherwise is usable.

Beim Laden von Akkumulatoren und insbesondere Bleiakkumulatoren sind in erster Linie zwei Forderungen zu erfüllen. Einerseits sollte vermieden werden, daß der Akkumulator überladen wird, weil sich hierdurch seine Lebensdauer verringern würde, und andererseits sollte dafür gesorgt werden, daß er möglichst voll geladen wird, weil sonst einerseits die an sich vorhandene Kapazität nicht genutzt wird und die tatsächliche Leistungsabgabe von der Nennleistung zum Teil erheblich abweichen kann und andererseits die ursprüngliche Kapazität insbesondere infolge von Sulfatierung zunehmend geringer wird. Auch die Lebensdauer eines Akkumulators leidet, wenn er ständig nicht ausreichend geladen wird.When charging accumulators and in particular Lead-acid batteries are primarily two requirements to meet. On the one hand, it should be avoided that the accumulator is overcharged, because this its lifespan would be reduced and, on the other hand, care should be taken to keep it as full as possible is charged because otherwise, on the one hand, the existing capacity is not used and the actual power output from the nominal power is partly can deviate significantly and, on the other hand, the original capacity, particularly as a result of sulphation becomes increasingly lower. The service life of an accumulator also suffers if it is constantly inadequate is loaded.

Zur Überwachung des Ladevorgangs und zur Bestimmung des Ladezustandes von Akkumulatoren ermittelt man üblicherweise entweder die Konzentration des Elektro-To monitor the charging process and to determine the state of charge of accumulators, one determines usually either the concentration of the electrical

Lyten oder man erfaßt die hiermit im Zusammenhanq stehende ZeLLenspannung. Da eine fortlaufende automatische überwachung der Konzentration des Elektrolyten aufwendig ist und zudem moderne Akkumulatoren in zunehmendem Maße verkapselt sind, kommt für die überwachung des Ladezustandes und die Ermittlung des Zeitpunktes für die Beendigung des Ladens in der Hauptsache die Erfassung der Zellenspannung, d.h. des Elektrodenpotentials in Frage. Für eine korrekte Ermittlung dieser Spannung, also der elektromotorischen Kraft (EMK) der Akkuzellen, gibt es gewisse Schwierigkeiten, und der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Mängel der bisher angewandten Ladeverfahren zu vermeiden, um ein Laden von Akkumulatoren auf die volle Kapazität zu erleichtern, ohne daß die Gefahr von Überladungen besteht bzw. in Kauf genommen werden muß.Lyten or one grasps the herewith in connection standing cell voltage. As a continuous automatic monitoring the concentration of the electrolyte is complex and, moreover, modern accumulators are increasingly encapsulated, comes for the monitoring the state of charge and the determination of the point in time for the end of the charge in the main the detection of the cell voltage, i.e. the Electrode potential in question. For a correct There is a certain amount of determination of this voltage, i.e. the electromotive force (EMF) of the battery cells Difficulties, and the invention is the task basically to avoid the deficiencies of the previously used charging method in order to charge batteries to the full capacity without the risk of overloading or being accepted must become.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung bei einem Verfahren zum Laden von Akkumulatoren, bei dem eine fortlaufende Spannungsüberwachung und eine davon abhängige Steuerung des Ladevorgangs durchgeführt wird, vor, daß die Ermittlung des Spannungswertes in zeitlichen Abständen, insbesondere in einem vorgegebenen Zeittakt, während einer Unterbrechung des Ladestromes vorgenommen wird. Zweckmäßigerweise sollte die Unterbrechung des Ladestromes mit einer insbesondere kurzzeitigen Entladung verbunden werden und die Ermittlung des Spannungswertes nach der Beendigung dieser Entladung erfolgen. Man kann das vorstehend beschriebene Verfahren gegebenenfalls in der Weise abwandeln, daß man unter Verzicht auf eine besondere Stromunterbrechung in zeitlichen Abständen, insbesondere in vorgegebenem Zeittakt, eine Stromumkehr, insbesondere durch kurzzeitiges Entl«Ki"n (Jeu Akkumulators durchführt und aus den Spanrui-r. ,:. v.·. · «· t er uc.r. -i ! 1i> ä.b»i r vor «er ii eenci i Q ung des LntladensTo solve this problem, the invention provides for a method for charging accumulators, in which continuous voltage monitoring and dependent control of the charging process is carried out, that the determination of the voltage value at time intervals, in particular at a predetermined time cycle, during an interruption of the charging current is made. The interruption of the charging current should expediently be combined with a particularly brief discharge and the voltage value should be determined after this discharge has ended. The method described above can optionally be modified in such a way that, without a special current interruption, a current reversal, in particular by briefly discharging the accumulator, is carried out at intervals, in particular in a predetermined time cycle, and from the Spanrui-r .: * v * "* t he uc.r. -i 1 i>ä.b!" ir before, "he eenci ii i Q clothes of Lntladens...

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und unmittelbar nach der Wiederaufnahme des Ladens und der Differenz zwischen Lade- und Ent Ladest rom die Elektrodenspannung ermittelt. Durch eine Begrenzung des Entladestromes auf den umgekehrten Wert des Ladestroms kann die Zellenspannung als arithmetischer Mittelwert aus der Spannung unmittelbar vor der Beendigung des Entladens und derjenigen unmittelbar nach dem Wiedereinschalten des Ladestroms ermittelt werden.and immediately after resuming loading and the difference between the charging and discharging currents determines the electrode voltage. By limiting the discharge current to the opposite value of the charge current the cell voltage as the arithmetic mean of the Voltage immediately before the end of discharge and that immediately after switching on again of the charging current can be determined.

Die Erfindung sieht ferner eine Vorrichtung zum Laden von Akkumulatoren und insbesondere zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens vor, die Elemente zur Ein- und Ausschaltung des Ladestromes sowie zur Spannungsermittlung besitzt und die erfindungsgemäß mit einem Steuergerät für den Ladestrom mit einem Taktgeber für die getaktete Abschaltung und/oder Invertierung dieses Stromes ausgerüstet ist, welches die Elemente zur Spannungsermittlung bei abgeschaltetem Ladestrom einschaltet. Um das vorstehend beschriebene abgewandelte Ladeverfahren zum Laden von Akkumulatoren ausführen zu können, sollte das Steuergerät die Elemente zur Spannungsermittlung unmittelbar vor Abbruch der Entladung und bei der Wiedereinschaltung des Stromes einschalten. Das Steuergerät kann ferner Elemente besitzen, die den zeitlichen Verlauf der Spannungsdifferenz zwischen Beginn und Ende der Stromumkehr erfassen und durch die andere Elemente zum Ausschalten des Ladestromes bei beschleunigter Zunahme steuerbar sind.The invention also provides a device for charging accumulators and in particular for performing the method described above, which Has elements for switching the charging current on and off and for determining the voltage, and according to the invention with a control device for the charging current with a Clock is equipped for the clocked shutdown and / or inversion of this current, which the Elements for determining the voltage when the Charging current switches on. To the modified charging method described above for charging batteries To be able to execute, the control unit should remove the elements for voltage determination immediately before the termination the discharge and when the power is switched on again turn on. The control unit can also have elements that track the time profile of the voltage difference detect between the beginning and the end of the current reversal and through the other elements to switch off the charging current are controllable in the event of an accelerated increase.

Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnung näher erläutert werden, in der inThe invention will now be explained in more detail with reference to the drawing, in which in

Fig. 1 eine Vorrichtung, die zur DurchführungFig. 1 shows a device which is used to carry out

des erfindunnsgemäßen Verfahrens geeignetof the method according to the invention

ist, mit den zum Verständnis wesentlichenis, with the essentials for understanding

Teilen schematisch dargestellt ist.Parts is shown schematically.

i.i.

Fig. 2 zeigt Strom- und Spannungsverlauf bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und zwar im oberen Teil der Fig. 2 für den Strom und im unteren Teil für die Spannung.Fig. 2 shows the current and voltage curve in the Implementation of the method according to the invention, specifically in the upper part of FIG. 2 for the current and in the lower part for the voltage.

bei dem Gerät nach Fig. 1 ist von einem Ladegerät her körnml i eher Bauart ausgegangen, welches eine Gleichspannungsquelle 11, ein Spannungsmeßgerät 12, Anschlußklemmen 13 und 14 zum Anschließen des aufzuladenden Akkumulators 15 sowie einen Ein- und Ausschalter 16 besitzt. Wird an die Anschlußklemmen 13, 14 ein Akkumulator zum Laden angeschlossen, erfaßtdas Spannungsmeßgerät 12 nicht die allein maßgebende elektromotorische Kraft (EMK) Up der Akkuzelle bzw. -zellen 15 sondern eine Spannung, die hiervon stark abweicht und von mehreren Größen beeinflußt wird. Hierbei spielt zunächst der Spannungsabfall U. in der Ladeleitung 17 eine Rolle, der durch den Widerstand 171 veranschaulicht ist und nicht nur den Leitungswiderstand sondern auch die uberqangswiderstände an den Anschlüssen und dergleichen einschließt. Dazu kommt der Spannungsabfall U. an dem durch den Widerstand 151 symbolisierten Innenwiderstand des Akkumulators, der stark vom Ladezustand und Alter des Akkus beeinflußt wird. Schließlich kommen hierzu noch eine stark von der Ladestromstärke beeinflußte und durch das SpannungsqueIlensymbo I 152 symbolisierte Diffusionsüberspannung U , die durch Inhomogenitäten des Elektrolyten während des Ladevorganqs bedingt ist, sowie eine durch das SpannunqsqueI lensymboI symbolisierte Polarisationsüberspannung U_p, die in ihrer Größe im wesentlichen von der Ladespannung abhängt undIn the device of FIG. 1, a charger is assumed to be a körnml i rather type, which has a DC voltage source 11, a voltmeter 12, terminals 13 and 14 for connecting the battery 15 to be charged, and an on / off switch 16. If an accumulator is connected to the terminals 13, 14 for charging, the voltmeter 12 detects not the only decisive electromotive force (EMF) Up of the accumulator cell or cells 15 but a voltage that differs greatly from this and is influenced by several variables. Here, the voltage drop U. in the charging line 17 initially plays a role, which is illustrated by the resistor 171 and includes not only the line resistance but also the transition resistances at the connections and the like. In addition, there is the voltage drop U. at the internal resistance of the accumulator, symbolized by the resistor 151, which is strongly influenced by the state of charge and the age of the accumulator. Finally, there is also a diffusion overvoltage U, which is strongly influenced by the charging current and symbolized by the voltage source symbol I 152, which is caused by inhomogeneities in the electrolyte during the charging process, and a polarization overvoltage U _p , which is symbolized by the voltage source symbol, and whose size essentially depends on the Charge voltage depends and

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durch Sauerstoff- bzw. Wasserstoffabscheidung auf den Elektroden entsteht.by oxygen or hydrogen separation on the Electrodes are created.

Wenn man mit einem Gerät der geschildert Art Fehler bei der Ermittlung der allein maßgeblichen EMK Up der Akkuzellen vermeiden will, muß man den Ladevorgang erfindungsgemäß in bestimmter Weise steuern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß von einem Steuergerät 20 wahrgenommen, welches eine Reihe von Elementen enthält, die den Ladevorgang überwachen und beeinflussen.If you are using a device of the type described, errors in determining the only decisive EMK Up the battery cells want to avoid, one must control the charging process according to the invention in a certain way. According to the invention, this task is performed by a control unit 20 which contains a number of elements which monitor and influence the charging process.

Die Funktion dieses Steuergeräteteiles 20 der erfindungsgemäßen Ladevorrichtung soll an Hand der Fig. 2 näher erläutert werden.The function of this control device part 20 of the charging device according to the invention is illustrated in FIG. 2 are explained in more detail.

Es sei angenommen, daß sich nach der Einschaltung des Gerätes mittels des Schalters 16 ein mit 21 bezeichneter Ladestrom I und eine vom Spannungsmesser 12 erfaßte und mit 31 bezeichnete Meßspannung U_M ergeben. Diese Meßspannung setzt sich aus der Summe der Spannungen U, + U. + U_D + Up + Up zusammen. Wird dann der Ladestrom durch eine kurzzeitige Entladung invertiert, wie bei 22 in Fig. 2, fällt die Meßspannung zunächst auf den Wert 32 ab und sinkt dann auf Grund des durch die Entladung bedingten schnellen Abbaus des Konzentrationsgefälles des Elektrolyten an den Elektroden sowie der Beseitigung des dort eventuell vorhandenen Sauerstoffbzw. Wasserstoffbelages in kurzer Zeit auf den Wert 33. Diffusionsüberspannung U und Polarisationsüberspannung U- entfallen dadurch. Erfolgt dann für eine kurze Zeitspanne 23 eine Unterbrechung des Stromes I., werden auch die durch die Serienwiderstände 171 und 151 bedingten Meßspannungsfeh ler eliminiert und es stellt sich die Spannung 34 ein, die die jeweilige EMK U_£ des Akkumula-It is assumed that after the device has been switched on by means of the switch 16, a charging current I labeled 21 and a measuring voltage U _M detected by the voltmeter 12 and labeled 31 result. This measurement voltage is made up of the sum of the voltages U, + U. + U _D + Up + Up. If the charging current is then inverted by a brief discharge, as at 22 in Fig. 2, the measurement voltage initially drops to the value 32 and then decreases due to the rapid reduction in the concentration gradient of the electrolyte at the electrodes and the elimination of the electrolyte caused by the discharge any oxygen or Hydrogen coating to the value 33 in a short time. Diffusion overvoltage U and polarization overvoltage U- are thus eliminated. If the current I is then interrupted for a short period of time 23, the measuring voltage errors caused by the series resistors 171 and 151 are also eliminated and the voltage 34 is established, which corresponds to the respective emf U _{£ of} the accumulator

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tors darstellt. Diese Spannung U_ wird zur Steuerung des Ladevorgangs benutzt und dient als Kriterium für die Fortsetzung oder Unterbrechung des Ladens. Nach der Erfassung der Spannung 34 kann die Ladung fortgesetzt werden, wodurch der Ladestrom wieder auf den Wert 24 ansteigt, der dem ursprünglichen Wert 21 entspricht. Die Meßspannung 35 erreicht schnell wieder den ursprünglichen Wert 31.tors represents. This voltage U_ is used to control the Loading process and serves as a criterion for the continuation or interruption of the loading. After Detection of the voltage 34, the charging can be continued, whereby the charging current is back to the value 24 increases, which corresponds to the original value of 21. The measuring voltage 35 quickly reaches the original value 31 again.

Um derartige Maßnahmen durchführen zu können, sind bei dem in Fig. 1 schematisch dargestellten Gerät im Steuergeräteteil 20 einige Elemente in symbolischer Form lediglich als Beispiel für eine von mannigfachen Ausführungsmöglichkeiten dargestellt, mit Hilfe derer das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist. Eine Taktgeberund Umsteuereinheit 201 steuert zwei Schalter 202 und 203, von denen der eine 202 in Reihe mit dem Hauptschalter 2um Ein- und Ausschalten des Gerätes liegt und normalerweise geschlossen ist, während der andere 203 in Reihe mit einem einstellbaren Belastungswiderstand 204 liegt. Der Schalter 202 ist darüber hinaus, wie die gestrichelte WirkungsIinie andeutet, durch ein Relais 205 beeinflußbar. Beim Betrieb des Gerätes wird durch die Taktgeber- und Umsteuer einheit 201 in vorgegebenen Zeitabständen über den Schalter 202 der Ladestrom unterbrochen und gleichzeitig durch Schließen des Schalters 203 eine Stromumkehr über den Belastungswiderstand 204 bewirkt. Diese Stromumkehr wird in dem vorgegebenen Zeittakt wieder unterbrochen und während dieser vollständigen Stromunterbrechung im Akkumulatorstromkreis die am Spannungsmesser 12 auftretende Spannung über einen Schalter 206 an das spannungsabhängig schaltende Relais 205 gelegt, das bei Erreichen einer vorgegebenen Spannung, nämlich der zu erzielenden Ladungsendspannung, anspricht undIn order to be able to carry out such measures, are in the device shown schematically in Fig. 1 in Control unit part 20 some elements in symbolic form shown merely as an example of one of the many possible embodiments with which the method according to the invention can be carried out. A clock generator and reversing unit 201 controls two switches 202 and 203, one of which is 202 in series with the main switch 2 to switch the device on and off and is normally closed, while the other 203 is in series with an adjustable load resistor 204. Of the Switch 202 can also be influenced by a relay 205, as the dashed action line indicates. When the device is in operation, the clock and reversing unit 201 overruns at predetermined time intervals the switch 202 interrupted the charging current and at the same time a current reversal by closing the switch 203 effected via the load resistor 204. This current reversal is interrupted again in the specified time cycle and, during this complete current interruption in the accumulator circuit, the voltage appearing at the voltmeter 12 is via a switch 206 connected to the voltage-dependent switching relay 205, that when a predetermined voltage is reached, namely the final charge voltage to be achieved, responds and

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durch Auftrennen des Schalters 202 den Ladevorgang unterbricht. Gleichzeitig hiermit kann auch der Hauptschalter 16 geöffnet werden, um das Gerät abzuschalten.interrupts the charging process by disconnecting switch 202. At the same time, the main switch 16 can also be opened in order to switch off the device.

Bei der abgewandelten Art des erfindungsgemäßen Ladeverfahrens, die an Hand des rechten Teiles der Fig. veranschaulicht werden soll, wird der Ladestrom 25 für eine kurze Zeitspanne 26 invertiert und dann wieder eingeschaltet. Die Meßspannung 36 fällt bei der Umkehr des Stromes zunächst auf den Wert 37 und sinkt auf Grund der durch die Belastung erzielten Beseitigung der Polarisations- und Diffusionsüberspannungen auf den Wert 33 unmittelbar vor dem Wiedereinschalten des Stromes ab. Dieser Spannungswert wird gespeichert und mit dem beim Wiedereinschalten des Ladestromes auftretenden Spannungswert 39 verglichen und aus beiden Werten das Mittel gebildet, welches unter der Voraussetzung,· daß der invertierte Strom 26 in der Größe dem Ladestrom 25 entspricht, was durch Einstellung des Widerstandes 204 im Steuergeräteteil 20 leicht erzielbar ist, die gesuchte Zellenspannung U- des Akkumulators ist.In the modified type of the invention Charging method, which is to be illustrated with reference to the right part of the figure, the charging current 25 for inverted for a short period of time 26 and then switched on again. The measurement voltage 36 drops when the reversal of the The current initially drops to the value 37 and drops to the value 33 due to the elimination of the polarization and diffusion overvoltages achieved by the load immediately before the power is switched on again. This voltage value is stored and compared with the voltage value 39 that occurs when the charging current is switched on again, and the mean is formed from the two values which, provided that the inverted current 26 corresponds in size to the charging current 25, which can easily be achieved by setting the resistor 204 in the control unit part 20 is the cell voltage U- of the accumulator.

Abschließend soll noch erwähnt werden, daß das Steuergerät nicht besonders dargestellte Elemente zur Erfassung beschleunigter Spannungs- bzw.Stromänderungen ent· halten kann, die für eine Steuerung des Ladens und eine überwachung des Akkumulators herangezogen werden können. So kann man beispielsweise den beschleunigten Anstieg der Po larisationsspannunq als Kriterium für die Voll-Ladung ausnutzen, während der beschleunigte Anstieg des Innenwiderstandes als ein Kriterium für die Ent laaunq verwendbar ist.Finally, it should be mentioned that the control unit is not specifically shown for elements Detection of accelerated voltage or current changes can hold, which can be used for controlling the charging and monitoring of the accumulator. For example, one can see the accelerated increase in Polarization voltage as a criterion for full charging exploit, while the accelerated increase of the internal resistance can be used as a criterion for the Ent laaunq.

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Claims

PATENT ANWAtT D-IPL-; NG. VlERKOfTER

HAUSDORP, 5204LOHMAR21 3 Λ Zt Γ) Λ? Γ)

TELEFON: (02206)2608 - TElEGRAMMEi Vl E R PATE NT LOHMAR O «+ *+ U H 0 UTELEPHONE: (02206) 2608 - TElEGRAMMEi Vl E R PATE NT LOHMAR O «+ * + U H 0 U

zugeiosssn auch beim Europäischen Patentamtalso accredited to the European Patent Office

November 2, 1984 Item 341

Dr. Ulrich Ti et ze, Erlangen Method and device for charging accumulators

Patent claims e

1. ) Method for charging accumulators, in which continuous voltage monitoring and dependent control of the charging process is carried out, characterized in that the determination of the voltage value is carried out at time intervals, in particular in a predetermined time cycle, during an interruption of the charging current .

2. The method according to claim 1, characterized in that the interruption of the charging current with a particular short-term discharge is connected and the determination of the voltage value after the termination of the Discharge is carried out.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that that by renouncing a previous charging current interruption at time intervals, in particular in a predetermined time cycle, a current reversal, in particular by Brief discharging of the accumulator, carried out and from the voltage values immediately before the discharge was terminated and immediately after resuming loading and the difference between the charging and discharging currents is used to determine the electrode voltage.

PoMschedckontoi Köln 43389-500 ■ Bonklcontoi Kreisiparkosie Siegburg 001016278 · Deutsche Bank Köln 2379576PoMschedckontoi Cologne 43389-500 ■ Bonklcontoi Kreisiparkosie Siegburg 001016278 · Deutsche Bank Cologne 2379576

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4. The method according to claim 3, characterized in that a limitation of the discharge current made the inverse value of the charging current and the cell voltage as an arithmetic mean the voltage immediately before the termination of the discharge and that immediately after the Ladestrones is determined.

5. Device for charging batteries and in particular for performing the method according to one or more of claims 1 to 4, with elements for Switching the charging current on and off as well as for voltage determination, characterized by a with a clock for the clocked shutdown and / or inversion of the current equipped control device for the charging current, which Scha 11einrichtung has through which the elements for voltage determination · when switched off Charging current can be switched on.

6. Apparatus according to claim 5, characterized in that the elements for voltage determination can be switched on immediately before the discharge is terminated and when the charging current is switched on again.

7. Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that the control device has elements which record the temporal course of the voltage difference between the beginning and the end of the current reversal and can be controlled by the elements for switching off the charging current at an accelerated increase.