FR2730358A1

FR2730358A1 - Rapid charging method for sealed accumulators, e.g. nickel-cadmium accumulator

Info

Publication number: FR2730358A1
Application number: FR9501640A
Authority: FR
Inventors: Kurt Schnegg; Fabrizio Marzolini
Original assignee: Leclanche SA
Current assignee: Leclanche SA
Priority date: 1995-02-08
Filing date: 1995-02-08
Publication date: 1996-08-09
Anticipated expiration: 2015-02-08
Also published as: FR2730358B1

Abstract

The charging method involves performing two operating modes, the first being constant current mode and the second being a constant voltage mode. Choice of mode is automatically selected as function of the value of the charging voltage relative to a set threshold. The constant current mode is used when the voltage is below the threshold, and the constant voltage mode when above the threshold. The start of charging is controlled to have a soft start, with an increasing average current. The end of the constant current phase is detected from the time derivative of the voltage, by measuring the temperature or internal pressure, or the time derivative of temperature. The end of the second phase is detected from the time derivative of current, the charging time or temperature and pressure in the accumulator.

Description

PROCEDE DE CHARGE RAPIDE POUR ACCUMULATEURS ETANCHES
La présente invention concerne un procédé de charge rapide pour accumulateurs étanches au nickel-cadmium ou au nickel-hydrure métallique, à grande plage de température.QUICK CHARGING METHOD FOR WATERPROOF BATTERIES
The present invention relates to a rapid charging process for sealed nickel-cadmium or nickel-metal hydride batteries, with a large temperature range.

On connaît déjà divers procédés de charge rapide, voire ultra-rapide pour des accumulateurs étanches de ce type. Les dispositifs qui ont été conçus pour mettre en oeuvre ces procédés comportent des circuits intégrés spécifiques incluant des processeurs destinés à les rendre "intelligents".Various rapid or even ultra-fast charging methods are already known for sealed accumulators of this type. The devices which have been designed to implement these methods include specific integrated circuits including processors intended to make them "intelligent".

On sait que les accumulateurs de ce type, notamment les accumulateurs au nickel-cadmium, peuvent présenter un effet mémoire s'ils ne sont pas complètement déchargés et rechargés selon les méthodes conventionnelles. Pour remédier à cet inconvénient, certains utilisateurs de ces accumulateurs procèdent à une décharge complète avant d'entreprendre une charge. Cette manière de procéder a deux défauts. Le premier est dû au fait que la décharge préalable constitue une perte de temps. Le second est dû au fait que les cycles de décharge complets imposés à l'accumulateur entraînent une diminution de la durée de vie de ce dernier.It is known that accumulators of this type, in particular nickel-cadmium accumulators, can exhibit a memory effect if they are not completely discharged and recharged according to conventional methods. To remedy this drawback, certain users of these accumulators carry out a complete discharge before undertaking a charge. This way of proceeding has two faults. The first is due to the fact that the prior discharge constitutes a waste of time. The second is due to the fact that the complete discharge cycles imposed on the accumulator cause a reduction in the lifetime of the latter.

Un procédé de charge appelé "Reflex" décrit dans le SMPTE
Journal d'avril 1977, volume 86 a été développé dans le but de pallier ces inconvénients, ce procédé étant mis en oeuvre par des circuits intégrés spécifiques commercialisés sous la dénomination Quicksave. A charging process called "Reflex" described in the SMPTE
Journal of April 1977, volume 86 was developed with the aim of overcoming these drawbacks, this process being implemented by specific integrated circuits marketed under the name Quicksave.

Toutefois, ce procédé de charge ou des procédés similaires qui s'effectuent avec des courants de charge constants élevés, supérieurs à un régime de 0,2C (l'unité 1C étant le courant mesuré en ampères et correspondant à la capacité nominale en ampères/heure de l'accumulateur) ne sont pas admissibles aux basses températures, des températures limites inférieures entre + 100C et OOC étant fixées par les fabricants. However, this charging method or similar methods which are carried out with high constant charging currents, greater than a speed of 0.2C (the unit 1C being the current measured in amperes and corresponding to the nominal capacity in amps / accumulator time) are not admissible at low temperatures, lower limit temperatures between + 100C and OOC being set by the manufacturers.

Par ailleurs, la demande de brevet français publiée sous le N- 2 636 479 décrit un procédé de charge ultra-rapide à tension limitée, utilisant comme critère de fin de charge la variation du courant de charge. Selon cette publication, on utilise ce procédé pour des charges ultra-rapides avec une limitation de tension supérieure à 1 ,6 V/élément et des courants de charge de plusieurs C. Ce procédé n'est pas prévu pour opérer aux basses températures, ce qui constitue un handicap pour de nombreuses utilisations, notamment des utilisations professionnelles et militaires.Furthermore, the French patent application published under N-2,636,479 describes an ultra-fast charging process at limited voltage, using as a end-of-charge criterion the variation of the charging current. According to this publication, this method is used for ultra-fast charges with a voltage limitation greater than 1.6 V / cell and charging currents of several C. This method is not intended to operate at low temperatures, this which constitutes a handicap for many uses, in particular professional and military uses.

La présente invention a pour but de pallier les inconvénients de l'art antérieur en offrant un procédé tel que défini en préambule, et caractérisé en ce que l'on effectue cette charge selon l'une ou l'autre de deux voies séparées, une première correspondant à une charge à courant contrôlé et la seconde correspondant à une charge à tension contrôlée, le choix de la voie s'effectuant automatiquement en fonction de la valeur de la tension de charge par rapport à une valeur seuil.The present invention aims to overcome the drawbacks of the prior art by providing a process as defined in the preamble, and characterized in that this charge is carried out according to one or the other of two separate paths, a first corresponding to a load with controlled current and the second corresponding to a load with controlled voltage, the choice of the channel being carried out automatically as a function of the value of the load voltage with respect to a threshold value.

De préférence, l'on effectue la charge à courant contrôlé selon ladite première voie si la tension de charge dans une première phase de charge est inférieure à ladite valeur seuil et l'on effectue la charge à tension contrôlée selon ladite seconde voie si la tension de charge dans la première phase de charge est supérieure à ladite valeur seuil.Preferably, charging is carried out with a controlled current along said first channel if the charging voltage in a first charging phase is less than said threshold value and charging is carried out with a controlled voltage along said second channel if the voltage charge in the first charge phase is greater than said threshold value.

De façon avantageuse, ladite première phase de charge s'effectue à démarrage doux à courant moyen croissant, par exemple par l'utilisation d'un circuit augmentant l'angle de passage d'un courant pulsé constant. Lorsque l'angle de passage aura atteint son maximum, celui-ci se maintiendra jusqu'à la fin de cette première phase.Advantageously, said first charging phase is carried out with a soft start at increasing average current, for example by the use of a circuit increasing the angle of passage of a constant pulsed current. When the angle of passage has reached its maximum, it will be maintained until the end of this first phase.

Dans ce procédé, dans ladite première voie la détection de fin de charge s'effectue par exemple par la mesure de la dérivée de la tension dU/dt, par contrôle de la durée maximale de charge t1, par mesure de la température T ou de la pression interne de l'accumulateur, par la mesure de la dérivée dT/dt ou par tout autre moyen approprié utilisable pour détecter la fin de la charge. In this method, in said first channel, the end of charge detection is carried out for example by measuring the derivative of the voltage dU / dt, by controlling the maximum charging time t1, by measuring the temperature T or the internal pressure of the accumulator, by measuring the derivative dT / dt or by any other suitable means which can be used to detect the end of the charge.

Dans ladite seconde voie, la détection de la fin de charge peut s'effectuer par mesure de la dérivée du courant dI/dt, par contrôle de la durée maximale de charge t2, par mesure de la température T ou de la pression interne de l'accumulateur.In said second channel, the end of charge can be detected by measuring the derivative of the current dI / dt, by controlling the maximum charging time t2, by measuring the temperature T or the internal pressure of the 'accumulator.

Après la détection de la fin de charge on peut procéder à une charge complémentaire à régime réduit. Cette charge à régime réduit s'effectue pendant une durée déterminée.After the end of charge has been detected, an additional charge can be made at reduced speed. This charge at reduced speed takes place for a fixed period.

Lors de la charge à régime réduit, ledit régime réduit est de l'ordre de 0,1C pendant 0,5 à 2 heures et lors du maintien en charge de l'accumulateur le régime réduit est compris entre 0,05 et 0,02C. When charging at reduced speed, said reduced speed is of the order of 0.1C for 0.5 to 2 hours and when the battery is kept charged the reduced speed is between 0.05 and 0.02C .

La présente invention sera mieux comprise en référence à la description d'un mode de réalisation préféré donné à titre d'exemple non limitatif et du dessin annexé dans lequel la figure unique représente une vue schématique des différentes étapes du procédé selon l'invention. The present invention will be better understood with reference to the description of a preferred embodiment given by way of nonlimiting example and of the appended drawing in which the single figure represents a schematic view of the different stages of the method according to the invention.

En référence à la figure, le procédé de charge rapide tel que représenté schématiquement se compose en fait de deux systèmes de charge interdépendants qui sont commutés selon les caractéristiques et la température de l'accumulateur, et qui sont principalement illustrés par les deux voies A et B.Referring to the figure, the rapid charging method as shown diagrammatically consists in fact of two interdependent charging systems which are switched according to the characteristics and the temperature of the accumulator, and which are mainly illustrated by the two channels A and B.

Cette charge s'effectue à courant contrôlé. Le démarrage D, du type démarrage doux, s'effectue à courant moyen croissant par exemple par l'utilisation d'un circuit à démarrage doux augmentant l'angle de passage d'un courant pulsé constant de façon à fournir un courant moyen progressif au départ. Lorsque l'angle de passage aura atteint son maximum celui-ci se maintiendra jusqu'à la fin de cette première phase. La phase initiale 10 de la charge s'effectue donc à courant contrôlé. Dans cette phase on procède à une surveillance de la tension et on mesure la tension maximale Umaxi. Si cette tension maximale reste inférieure à un seuil fixé entre 1,4 et 1,8 V/élément on peut admettre que la température de l'accumulateur est telle que la charge pourra se poursuivre à courant constant à un régime de préférence situé entre 0,5 et 2 C.Dans le cas où U est inférieur à Umaxi, le procédé de charge s'effectue donc selon la voie A. La phase 11 représente cette charge forte à courant contrôlé.This charge takes place at a controlled current. Starting D, of the soft starting type, is carried out at increasing mean current for example by the use of a soft starting circuit increasing the angle of passage of a constant pulsed current so as to provide a progressive average current to the departure. When the angle of passage has reached its maximum, it will be maintained until the end of this first phase. The initial phase 10 of the charge is therefore carried out at a controlled current. In this phase, voltage monitoring is carried out and the maximum voltage Umaxi is measured. If this maximum voltage remains below a threshold set between 1.4 and 1.8 V / cell, it can be assumed that the temperature of the accumulator is such that charging can continue at constant current at a speed preferably between 0 , 5 and 2 C. In the case where U is less than Umaxi, the charging process is therefore carried out according to channel A. Phase 11 represents this heavy charge with controlled current.

La détection 12 de la fin de charge forte s'effectue soit selon des algorithmes employés par des circuits intégrés appropriés couramment commercialisés (par exemple ICS1700 ou ICS1702, Benchmarq ou autres microcontrôleurs), soit par des algorithmes exécutés par des microcontrôleurs, soit par la limitation du temps de charge maximal tl, soit par la mesure de la température T, soit par la mesure de la pression ou par tout autre moyen approprié.The detection 12 of the end of the heavy load is carried out either according to algorithms employed by appropriate integrated circuits commonly marketed (for example ICS1700 or ICS1702, Benchmarq or other microcontrollers), or by algorithms executed by microcontrollers, or by the limitation of the maximum charging time tl, either by measuring the temperature T, either by measuring the pressure or by any other suitable means.

On notera que, si au cours de la phase de charge forte 11 la tension atteint ou dépasse la valeur seuil Umaxl s le circuit de charge commute sur la voie B (flèche C). Après la détection de fin de charge 12 sur la voie A, on commute sur une charge complémentaire 13 à régime réduit, de préférence de l'ordre de 0,1 C pendant 0,5 à 2 heures qui permet d'assurer un remplissage complet de l'accumulateur. It will be noted that, if during the heavy load phase 11 the voltage reaches or exceeds the threshold value Umaxl s, the load circuit switches to channel B (arrow C). After detecting the end of charge 12 on channel A, we switch to an additional charge 13 at reduced speed, preferably of the order of 0.1 C for 0.5 to 2 hours which ensures complete filling. of the accumulator.

Par la suite, l'accumulateur peut être considéré comme prêt à l'emploi en 14 (flèche D). Il peut également être maintenu en charge permanente à un régime réduit 15, ce régime étant situé entre 0,05 et 0,02
C et ayant pour objectif le maintien en charge maximale par compensation des pertes naturelles de l'accumulateur.Thereafter, the accumulator can be considered ready for use at 14 (arrow D). It can also be maintained under permanent load at a reduced speed 15, this speed being situated between 0.05 and 0.02
C and having the objective of maintaining maximum charge by compensating for the natural losses of the accumulator.

Si au démarrage D, ou dans la phase initiale de charge 10 à courant constant, l'accumulateur atteint le seuil de tension fixé Umaxi, on admet que la charge ne peut pas être poursuivie à courant constant, donc selon la voie A, et on met en oeuvre le second système de charge selon la voie B, qui correspond à une charge pour les basses températures.If at start-up D, or in the initial phase of charging 10 at constant current, the accumulator reaches the fixed voltage threshold Umaxi, it is admitted that charging cannot be continued at constant current, therefore according to channel A, and we implements the second charging system according to channel B, which corresponds to a charge for low temperatures.

Ce second système de charge convient pour les basses températures et fonctionne à tension constante. Cette phase de charge à tension constante 16 limite la tension à une valeur Umax2 comprise sensiblement entre 1,4 et 1 , 6 V/élément. Pour contrôler cette charge, le circuit de charge procède à une surveillance du courant et de sa dérivee. This second charging system is suitable for low temperatures and operates at constant voltage. This constant voltage charging phase 16 limits the voltage to a value Umax2 of substantially between 1.4 and 1.6 V / cell. To control this load, the load circuit monitors the current and its drift.

La fin de charge 17 est détectée sur base des critères suivants: le passage de la dérivée du courant dI/dt d'une valeur négative à une valeur positive, ou le temps de charge maximal t2.The end of charging 17 is detected on the basis of the following criteria: the passage of the derivative of the current dI / dt from a negative value to a positive value, or the maximum charging time t2.

Dans le cas de très basses températures, le courant peut diminuer de manière asymptotique et pourra être maintenu très longtemps. Après la fin de la charge à tension constante, il est également possible, comme le montre la flèche E, en trait interrompu, d'assurer un maintien en charge de l'accumulateur par charge permanente à courant constant.In the case of very low temperatures, the current can decrease asymptotically and can be maintained for a very long time. After the end of the constant voltage charge, it is also possible, as shown by arrow E, in broken lines, to ensure that the accumulator is kept charged by permanent charge at constant current.

Le procédé de charge tel que décrit ci-dessus permet de couvrir une plage très étendue de températures en combinant deux méthodes de charge distinctes: l'une à courant constant, l'autre à tension constante, le passage dans l'une ou l'autre voie s'effectuant sur la base d'un contrôle de la tension au début de la mise en charge et pendant la première phase de charge.The charging method as described above makes it possible to cover a very wide range of temperatures by combining two distinct charging methods: one at constant current, the other at constant voltage, the passage in one or the another channel is performed on the basis of a voltage control at the start of charging and during the first charging phase.

Ce procédé de charge est destiné à des applications professionnelles exigeant une très grande plage de température, ces températures allant par exemple de -40 C à +500C.This charging process is intended for professional applications requiring a very large temperature range, these temperatures ranging for example from -40 C to + 500C.

La présente invention n'est pas limitée aux formes de réalisation décrites ci-dessus, mais peut subir différentes modifications et se présenter sous diverses variantes évidentes pour un homme du métier. The present invention is not limited to the embodiments described above, but can undergo different modifications and come in various variants obvious to a person skilled in the art.

Claims

1. Rapid charging process for a sealed nickelcadmium or nickel-metal hydride accumulator, with a large temperature range, characterized in that this charging is carried out according to one or the other of two separate paths (A, B) a first (A) corresponding to a charge with controlled current and the second (B) corresponding to a charge with controlled voltage, the choice of the channel being carried out automatically according to the value of the charge voltage with respect to a threshold value (Umaxi).

2. Method according to claim 1, characterized in that the controlled current charging is carried out according to said first channel (A) if the charging voltage in a first charging phase is less than said threshold value (Umaxl) and l 'charging is carried out at a controlled voltage according to said second path (B) if the charging voltage in the first charging phase is greater than said threshold value (Umaxl) *

3. Method according to claim 2, characterized in that said first charging phase (10) is carried out with soft start at increasing average current.

4. Method according to claim 2, characterized in that in said first channel (A) the end of charge detection is carried out by measuring the derivative of the voltage dU / dt, by checking the maximum charge duration t1, or by measuring the temperature T or the internal pressure of the accumulator, or by measuring the derivative dT / dt.

5. Method according to claim 2, characterized in that in said second channel (B) the detection of the end of charge is carried out by measuring the derivative of the current dI / dt, by checking the maximum duration of charge tv, or by measuring the temperature T or the internal pressure of the accumulator.

6. Method according to claim 4 or 5, characterized in that after the detection of the end of charge is carried out an additional charge at reduced speed.

7. Method according to claim 6, characterized in that the charge at reduced speed takes place for a determined period (t3).

8. Method according to claims 6 and 7, characterized in that said reduced regime is of the order of 0.1C for 0.5 to 2 hours.

9. Method according to claims 6 and 7, characterized in that during the maintenance of the accumulator the reduced speed is between 0.05 and 0.02C.