DE19928446A1

DE19928446A1 - Verfahren und Anordnung zur Ladung einer wiederaufladbaren Batterie

Info

Publication number: DE19928446A1
Application number: DE19928446A
Authority: DE
Original assignee: IND AUTOMATION ENERGIESYSTEME
Current assignee: INDUSTRIE AUTOMATION ENERGIESYSTEME AG, 79232 MARC
Priority date: 1999-06-23
Filing date: 1999-06-23
Publication date: 2000-12-28
Anticipated expiration: 2019-06-24
Also published as: DE19928446C2

Abstract

Bei einem Verfahren und bei einer Anordnung zur Ladung einer wiederaufladbaren Batterie mit einem Ladegerät ist vorgesehen, daß die Menge der beim Laden der Batterie zugeflossenen Ladung in einem ersten Speicher aufsummiert wird, daß bei Erreichen eines vorgegebenen Ladezustandes aus der aufsummierten Ladungsmenge eine Nachladungsmenge berechnet wird, die in einem zweiten Speicher abgelegt wird, daß eine Ladung vorgenommen wird, wobei die jeweils nachgeladene Menge mit einem Ladefaktor bewertet vom Inhalt des ersten Speichers abgezogen wird, daß der Nachladevorgang beendet wird, wenn die Nachladungsmenge erreicht ist, und dann der Inhalt des ersten Speichers auf Null gesetzt wird und daß bei vorzeitiger Unterbrechung des Ladevorgangs der Inhalt des ersten Speichers erhalten bleibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Ladung einer wiederaufladbaren Batterie mit einem Ladegerät.

Wiederaufladbare Batterien unterliegen, insbesondere auf dem Gebiet der elektrischen Traktion, in der Industrie einer systematischen Wartung. Dazu wird besonders geschultes Personal eingesetzt, das nach genauen Arbeitsanweisungen insbesondere die Ladung mit steuerbaren Ladegeräten vornimmt. Ferner ist ein Verfahren zur Überwachung von wiederaufladbaren Batterien bekanntgeworden (DE 38 32 839 A1), bei welchem sowohl der Entlade- als auch der Ladevorgang laufend registriert wird und somit die Lade- und Entladeströme unter Berücksichtigung der Entladekennlinien bilanziert werden. Dieses Verfahren ist jedoch nur anwendbar, wenn die zu überwachende Batterie sowohl beim Entladen als auch beim Laden mit dem Ladegerät verbunden ist.

Außer den obengenannten Anwendungen in der Industrie werden Batterien in zunehmenden Maße für Rollstühle, elektrische Kleinfahrzeuge, Golfcarts, elektrische Fußbodenreinigungsmaschinen und handgeführte Gabelstapler verwendet. Für diese Anwendungen steht häufig kein ausgebildetes Personal zur Verfügung. Außerdem sind diese Batterien in der Regel bei der Entladung vom Ladegerät getrennt. Werden jedoch diese Batterien gelegentlich geladen - das heißt zu einem Zeitpunkt, wenn sie noch nicht einen bestimmten Entladezustand erreicht haben - und werden sie dabei auch nicht vollständig geladen, tritt langfristig eine Unterladung ein.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Ladung der wiederaufladbaren Batterie anzugeben, das eine ausreichende Ladung bewirkt, auch wenn die Batterie unregelmäßig geladen wird und während der Entladung vom Ladegerät getrennt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,

- daß die Menge der beim Laden der Batterie zugeflossenen Ladung in einem ersten Speicher aufsummiert wird,
- daß bei Erreichen eines vorgegebenen Ladezustandes aus der aufsummierten Ladungsmenge eine Nachladungsmenge berechnet wird, die in einem zweiten Speicher abgelegt wird,
- daß eine Ladung vorgenommen wird, wobei die jeweils nachgeladene Menge mit einem Ladefaktor bewertet vom Inhalt des ersten Speichers abgezogen wird,
- daß der Nachladevorgang beendet wird, wenn die Nachladungsmenge erreicht ist, und dann der Inhalt des ersten Speichers auf Null gesetzt wird und
- daß bei vorzeitiger Unterbrechung des Ladevorgangs der Inhalt des ersten Speichers erhalten bleibt.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird sichergestellt, daß unabhängig davon, wieviel Strom der Batterie zwischenzeitlich entnommen und zugeführt wurde, eine ausreichende Nachladung zugeführt wird - vorausgesetzt die Batterie wird nicht zuvor von dem Ladegerät getrennt.

Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlichen Rechenoperationen können in einem einfachen und preiswerten Mikroprozessor durchgeführt werden. Dabei wird ein besonders einfacher Programmablauf ermöglicht, wenn gemäß einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen ist, daß während des Nachladevorgangs die jeweils nachgeladene Menge vom Inhalt des zweiten Speichers abgezogen wird und daß der Ladevorgang beendet wird, wenn der Inhalt des zweiten Speichers zu Null wird, und daß bei einer vorzeitigen Unterbrechung des Ladevorgangs ferner der Inhalt des zweiten Speichers auf Null gesetzt wird.

Eine andere Weiterbildung ist insbesondere für die Ladung von Bleibatterien mit flüssigem Elektrolyt vorgesehen und besteht darin, daß zur Berechnung der Nachladungsmenge einer Tabelle der jeweilige Füllgrad entnommen wird, in welcher der Zusammenhang zwischen dem Ladestrom und der Batteriespannung mit dem Füllgrad als Parameter abgelegt ist.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Berücksichtigung des Ladungsfaktors derart, daß die Bewertung der im ersten Speicher während des Nachladens abgezogenen Nachladungsmenge durch Multiplikation der jeweiligen Ladungsmenge mit dem Faktor 1/(LF-1) erfolgt, wobei der Ladungsfaktor LF der Tabelle entnommen wird.

Ferner ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorteilhaft, wenn bei Erreichen einer ersten Schwelle des Ladezustandes aus der Tabelle der Füllgrad entnommen wird und der im ersten Speicher gespeicherten Menge die bis zu einem Füllgrad von 100% fehlende Ladungsmenge hinzuaddiert wird.

Eine genauere Bestimmung der Nachladungsmenge ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch möglich, daß bei Erreichen einer zweiten Schwelle des Ladezustandes eine erneute Berechnung der Nachladungsmenge erfolgt, daß diese im zweiten Speicher abgelegt wird und daß der Nachladevorgang bei Erreichen der erneut berechneten Nachladungsmenge beendet wird.

Werden zum Laden im wesentlichen konstante Ströme verwendet, was insbesondere bei Gel-Batterien der Fall ist, kann weiterhin vorgesehen sein, daß die Ladungsmengen in Form von Ladungszeiten gespeichert werden, wobei die Dauer der Nachladung einer Tabelle entnommen wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hat es sich ferner als vorteilhaft herausgestellt, wenn der vorgegebene Ladezustand durch Messung der Ladespannung ermittelt wird.

Eine vorteilhafte Anordnung ermöglicht die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auch, wenn jeweils einem Ladegerät nicht nur eine bestimmte Batterie zugeordnet ist oder wenn eine Batterie nicht nur an einem bestimmten Ladegerät geladen wird, dadurch, daß mindestens der erste Speicher an der jeweiligen Batterie angeordnet ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen angenommenen Verlauf von Entladungen und Ladungen einer Batterie mit flüssigem Elektrolyt,

Fig. 2 einen angenommenen Verlauf von Entladungen und Ladungen einer Gel-Batterie,

Fig. 3 ein erstes Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 weitere Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 5 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine Batterie mit flüssigem Elektrolyt und

Fig. 6 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens für eine Gel-Batterie.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt den Verlauf der eingeladenen Kapazität als Funktion der Zeit bei einem angenommenen Betriebsfall, bei dem nach Zeiten der Entladung in unregelmäßiger Weise Ladungen vorgenommen werden, wobei jeweils Ladungsmengen C1 und C2 der Batterie zugeführt werden. Nach einer weiteren Entladung folgt wiederum eine Ladung mit der Ladungsmenge Cn. Beim Erreichen eines ersten Rechenpunktes hat die Ladespannung einen Wert V1 erreicht. Daraufhin wird aus den vorangegangenen Ladungen C1, C2, Cn eine Nachladungsmenge berechnet, was am Beispiel einer Batterie mit flüssigem Elektrolyt in Fig. 5 näher erläutert wird.

Fig. 2 zeigt ein ähnliches Diagramm für eine Gel-Batterie, bei welcher im allgemeinen stellvertretend für die Ladungsmenge Ladezeiten t1, t2, tn registriert werden. Für den Ladezustand bzw. die eingeladene Kapazität Kap. sind zwei Schwellen V1 und V2 vorgesehen. Eine nähere Erläuterung des zugehörigen Verfahrens erfolgt im Zusammenhang mit Fig. 6.

Die Fig. 3 und 4 zeigen jeweils als Blockschaltbild zwei Ausführungsbeispiele für ein erfindungsgemäßes Ladegerät. Über einen Netztransformator 1 und eine Gleichrichterschaltung 3 wird vom Stromnetz 2 einem Laderegler 4 Gleichspannung zugeführt. Je nach Eigenschaften der Batterie im einzelnen, insbesondere bei Batterien mit flüssigem Elektrolyt, kann eine Ladung auch ohne Regelung erfolgen. In diesem Fall ist bei 4 lediglich eine Möglichkeit zur Strom- bzw. Spannungsmessung vorgesehen, sowie zum Abschalten. Bei den Ausführungsbeispielen wird davon ausgegangen, daß der Laderegler über entsprechende Einrichtungen verfügt.

Eine gestrichelte Linie zeigt jeweils die Trennung zwischen dem Ladegerät und einem nicht näher dargestellten Fahrzeug, das eine Batterie 6 und Anschlüsse 7 für Verbraucher, insbesondere Antriebseinrichtungen, enthält. Über Anschlüsse 5 ist die Batterie mit dem Ladegerät verbindbar. Der Laderegler 4 ist von einem Mikroprozessor 8 steuerbar, der mit einem Nur-Lesespeicher 9 und einem nicht-flüchtigen Speicher 10 (Fig. 3) verbunden ist. In dem Nur-Lesespeicher 9 sind Programme für den Mikroprozessor und eine Tabelle abgelegt, welcher der Zusammenhang zwischen Ladespannung und Füllfaktor RF entnehmbar ist. Im nicht-flüchtigen Speicher 10 ist mindestens ein Speicherplatz MEM1 vorgesehen, dessen Inhalt im Zusammenhang mit den Fig. 5 und 6 später genauer beschrieben wird. MEM1 enthält bis zum Beginn einer Nachladung die seit der letzten vollständigen Ladung der Batterie zugeführte Ladungsmenge bzw. eine diese Ladungsmenge kennzeichnende Größe. Ein weiterer Speicher 29 enthält mindestens einen Speicherplatz MEM2, dessen Inhalt ebenfalls im Zusammenhang mit den Fig. 5 und 6 beschrieben wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der nicht-flüchtige Speicher 10 im Ladegerät angeordnet. Deshalb ist dieses Ausführungsbeispiel zur Verwendung mit ein und der gleichen Batterie vorgesehen.

Sollen mit Hilfe eines Ladegerätes mehrere Batterien ladbar sein bzw. soll eine Batterie auch von mehreren Ladegeräten geladen werden können, so kann gemäß den Fig. 4a und 4b der nicht-flüchtige Speicher 10' fest mit der Batterie verbunden sein. Zum Lesen und Schreiben sind zwischen dem Mikroprozessor 8 und dem nicht-flüchtigen Speicher 10' im Falle der Fig. 4a Sende- und Empfangseinrichtungen 24, 25 zur trägerfrequenten Übertragung über die Anschlußleitungen und im Falle der Fig. 4b drahtlose Sende- und Empfangseinrichtungen 26, 27 vorgesehen. Der nicht-flüchtige Speicher 10' kann zusammen mit der jeweiligen Sende- und Empfangseinrichtung 25, 27 als kleine Baugruppe ausgebildet und an einer passenden Stelle der Batterie befestigt sein.

Eine weitere in den Figuren nicht dargestellte Möglichkeit, mit einem Ladegerät mehrere Batterien nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zu laden, besteht darin, entsprechend der Anzahl der Batterien Speicherplätze in einem nicht-flüchtigen Speicher des Ladegerätes vorzusehen und diese in Abhängigkeit von einer erfolgten Identifikation der Batterie auszuwählen. Diese kann beispielsweise durch eine Codierung, gegebenenfalls einen Barcode, erfolgen.

Ein Ausführungsbeispiel dafür, wie mehrere Batterien an mehreren Ladegeräten, beispielsweise eines Betriebes, wahlfrei nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geladen werden können, ist in Fig. 4c dargestellt. Dabei ist das dargestellte Ladegerät mit einem zentralen Rechner verbunden, an dem bei 30' weitere Ladegeräte angeschlossen sind. An dem Mikroprozessor 8 ist ein Scanner 28 angeschlossen, der eine Codierung an der Batterie 6, beispielsweise eine Batterie-Nummer B liest. Mit Hilfe der Batterie-Nummer B wird dann die für diese Batterie bisher eingeladene Ladungsmenge aus einer Tabelle ausgelesen, an den Mikroprozessor 8 übertragen und dort im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens weiterverarbeitet. Bei dem dargestellten Beispiel enthält die Tabelle für Batterien mit den Nummern B1, B2 und B3 jeweils einen Speicherplatz MEM1,1, MEM1,2 und MEM1,3.

Das in Fig. 5 gezeigte Flußdiagramm stellt die wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens im Falle einer Batterie mit flüssigem Elektrolyt dar und kann als Programm für einen Mikroprozessor ausgebildet sein, der das Ladegerät steuert.

Bei 11 wird der jeweilige Ladestrom gemessen, worauf bei 12 die in einer Zeiteinheit, beispielsweise einer Durchlaufzeit des Programms oder einer Sekunde, durch den Strom I entstandene Ladungsmenge zur bis dahin eingeladenen Ladungsmenge C(k) hinzuaddiert wird, so daß sich die akkumulierte Ladungsmenge C(k+1) ergibt, die in den Speicher MEM1 eingeschrieben wird. Die von den Schritten 11 und 12 gebildete Schleife wird solange durchlaufen, bis bei 13 die an der Batterie gemessene Ladespannung V ≧ V1 ist. Daraufhin wird bei 14 der Füllfaktor RF aus der Tabelle gelesen. Damit wird bei 15 der Inhalt des Speichers MEM1 um die bis zur Nominalkapazität Cnom verbleibende Ladungsmenge erhöht. Der Inhalt des Speichers MEM2 wird bei 16 auf einen Wert MEM1.(CF-1) gesetzt, wobei CF ein vorgegebener Ladefaktor ist.

Die Schritte 17, 18, 19, 20, 21 bilden eine weitere Schleife, während der die Batterie mit einem Nachladestrom In nachgeladen wird. Dabei wird der Inhalt des Speichers MEM1 um In.dt/(CF-1) vermindert, während vom Inhalt des Speichers MEM2 die jeweilige Nachladungsmenge bei 18 abgezogen wird.

Bei 19 erfolgt eine Verzweigung in Abhängigkeit davon, ob der Ladevorgang unterbrochen ist. Dies kann beispielsweise bei einer Trennung der Batterie vom Ladegerät vorkommen, um das batteriegetriebene Gerät zu benutzen. Zutreffendenfalls wird bei 22 der Inhalt des Speichers MEM2 auf Null gesetzt. Der Inhalt des Speichers MEM1 bleibt erhalten und dient als Ausgangswert für eine spätere Ladung.

Liegt bei 19 jedoch keine Unterbrechung des Nachladevorgangs vor, folgt bei 20 eine Verzweigung in Abhängigkeit davon, ob der Inhalt des Speichers MEM2 Null erreicht hat. Ist dieses der Fall, wird bei 23 der Ladevorgang beendet (In = 0) und der Inhalt des Speichers MEM1 auf Null gesetzt.

Solange MEM2 jedoch noch nicht Null erreicht hat, wird bei 21 abgefragt, ob die Batterie-Spannung V bereits größer als oder gleich V2 ist, das heißt, ob ein zweiter Rechenpunkt erreicht ist. Ist dieses noch nicht der Fall, werden die Schritte 17 und 18 mit den bei V ≧ V1 berechneten Werten solange wiederholt, bis V2 erreicht oder überschritten ist. Dann wird bei 14 ein genauerer Wert für RF bestimmt, mit dem die Schritte 15 bis 21 dann solange durchgeführt werden, bis bei 19 oder 20 die Ladung beendet wird.

Fig. 6 zeigt ein Flußdiagramm zur Ladung einer Gel-Batterie. Dabei wird im Schritt 31 im Speicher MEM1 die gesamte Ladezeit akkumuliert, die seit einem Nullsetzen des Speichers MEM1 vergangen ist. Dies wird nach der Verzweigung 32 abgebrochen, wenn die erste Schwelle V1 erreicht ist. Danach erfolgt eine weitere, spannungsgesteuerte Ladung bis zum Erreichen der nächsten Schwelle V2 bei 33. Dann wird bei 34 die Nachladezeit t(I2) mit einem vorgegebenen Strom I2 aus der Tabelle ausgelesen und im Speicher MEM2 abgelegt. Während des weiteren Nachladevorgangs werden die Speicher MEM1 und MEM2 bei 35 und 36 jeweils um die Nachladezeit vermindert.

Bei 37 wird geprüft, ob der Ladevorgang unterbrochen ist. Ist dieses der Fall, wird der Speicher MEM2 bei 38 auf Null gesetzt. Ist der Nachladevorgang nicht unterbrochen, wird bei 39 in Abhängigkeit davon verzweigt, ob der Inhalt des Speichers MEM2 den Wert Null erreicht hat. Solange dies nicht der Fall ist, wird die aus den Programmschritten 35, 36, 37, 39 gebildete Schleife durchlaufen. Anderenfalls wird bei 40 der Nachladevorgang beendet und der Inhalt des Speichers MEM1 auf Null gesetzt.

Claims

1. Verfahren zur Ladung einer wiederaufladbaren Batterie mit einem Ladegerät, dadurch gekennzeichnet,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des Nachladevorgangs die jeweils nachgeladene Menge vom Inhalt des zweiten Speichers abgezogen wird und daß der Ladevorgang beendet wird, wenn der Inhalt des zweiten Speichers zu Null wird, und daß bei einer vorzeitigen Unterbrechung des Ladevorgangs ferner der Inhalt des zweiten Speichers auf Null gesetzt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berechnung der Nachladungsmenge einer Tabelle der jeweilige Füllgrad entnommen wird, in welcher der Zusammenhang zwischen dem Ladestrom und der Batteriespannung mit dem Füllgrad als Parameter abgelegt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewertung der im ersten Speicher während des Nachladens abgezogenen Nachladungsmenge durch Multiplikation der jeweiligen Ladungsmenge mit dem Faktor 1/(LF-1) erfolgt, wobei der Ladungsfaktor LF der Tabelle entnommen wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen einer ersten Schwelle des Ladezustandes aus der Tabelle der Füllgrad entnommen wird und der im ersten Speicher gespeicherten Menge die bis zu einem Füllgrad von 100% fehlende Ladungsmenge hinzuaddiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen einer zweiten Schwelle des Ladezustandes eine erneute Berechnung der Nachladungsmenge erfolgt, daß diese im zweiten Speicher abgelegt wird und daß der Nachladevorgang bei Erreichen der erneut berechneten Nachladungsmenge beendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsmengen in Form von Ladungszeiten gespeichert werden, wobei die Dauer der Nachladung einer Tabelle entnommen wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Ladezustand durch Messung der Ladespannung ermittelt wird.

9. Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei ein Ladegerät mit einem Prozessor steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens der erste Speicher (MEM1, 10') an der jeweiligen Batterie (6) angeordnet ist.