METHOD FOR CHARGING A NI-CD OR NI-FE BATTERY, AND APPARATUS FOR PERFORMING THE METHOD

Abstract: 1. Method for charging a Ni-Cd or a Ni-Fe accumulator (3) wherein the accumulator (3) is intermittently supplied with a charging current, and the charge of the accumulator (3) is tested by comparing the voltage of the accumulator (3) under the load of a discharging current, to a first threshold voltage (U8-U9) which corresponds to the fully charged accumulator's (3) voltage, during each charging intermission, and wherein charging is ended when the accumulator voltage exceeds the first threshold voltage (U8-U9) permanently, characterized in that the first threshold voltage (U8-U9) is controlled as a function of the temperature of the accumulator (3) in order to adapt the first threshold voltage (U8-U9) to the accumulator voltage at the temperature prevailing in the accumulator (3).

Description: VERFAHREN ZUM LADEN EINES NI-CD ODER NI-FE AKKUMULATORS UND LADEGERAET ZUR DURCHFUEHRUNG DES VERFAHRENS Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden eines Ni-Cd oder Ni-Fe Akkumulators und ein Ladegerbt zur Durchführung des Verfahrens. Ni-Cd oder Ni-Fe Akkumulatoren mit dünnen Sinterelektroden vertragen lang andauernde Ueberladung schlecht. Wenn zudem die zulässigen Ströme und Temperaturen überschritten werden, reduziert sich die Lebensdauer auf weniger als ein Jahr, wobei sich die Ladekapazität schon nach einigen Monaten drastisch verringern kann. Es gibt aber auf dem Markt keine Ladegeräte, die ein schonendes Aufladen eines Ni-Cd oder Ni-Fe Akkumulators erlauben. Bei den bestehenden Ladegeräten wird keine reine Strom- oder Spannungsuberwachung vorgesehen, sondern in den meisten Fällen werden Zeitgeber eingesetzt, welche ohne Berücksichtigung des Ladezustandes des Akkumulators mit einem vorgegebenen Strom während einer bestimmter Zeit aufladen. EB ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren anzugeben, das ein schnelles und schonendes Aufladen eines Ni-Cd oder Ni-Fe Akkumulators erlaubt. Diese Aufgabe wird mit dem im Anspruch 1 beschriebenen Verfahren gelöst. Die Erfindung bezweckt ausserdem, ein Ladegerät zur Durchführung des Verfahrens anzugeben. Das Ladegerät wird gemäss Anspruch 7 ausgeführt. Dadurch, dass das Laden des Akkumulators intermittierend erfolgt, und dass jeweils während des Ladeunterbruchs der Ladezustand des Akkumulators durch Vergleich der Spannung des durch einen Entladestrom belasteten Akku mulators mit einer Referenzspannung geprüft wird, bis beim Erreichen der vollen Ladespannung abgeschaltet wird, lässt sich der Akkumulator sehr schonend aufladen. Der Ladeunterbruch erfolgt jeweils kurzzeitig, was ein schnelles Aufladen des Akkumulators durch einen gegebenen Ladestrom erlaubt. Bei einer entladenen Zelle wird der volle Ladezustand schon nach 2 bis 3 Stunden Ladedauer erreicht. Ausserdem kann eine Temperaturregelung für eine genaue Anpassung der Referenzspannung an die Akkumulatorspanung des voll geladenen Akkumulators bei einer gegebenen Akkumulatortemperatur sorgen. Vorzugsweise zeigen Leuchtdioden den Betriebszustand wie "Laden", Prüfen", Störung sowie den einwandfreien Anschluss der Federkontaktstifte am Akkumulator an. Es wurde ferner auch erkannt, dass das intermittierende Laden und Prüfen des Akkumulators in diesem einen chemischen Effekt bewirkt, der die Lebensdauer des Akkumulators zwei- bis dreimal verlängert. Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels naher erläutert. Figur 1 zeigt das Schaltbild des erfindungs gemässen Ladegerates, Figur 2 zeigt ein Diagramm, das die Wirkungsweise eines Fensterdiskriminators erläutert, und Figur 3 zeigt ein Diagramm der Zellenspannung in Funktion der Einladekapazität bei ver schiedener Temperaturen. Die Schaltung von Figur 1 wird durch eine nicht dargestellte, spannungsstabilisierte Energiequelle gespeist, welche den Ladestrom zum Laden eines Akkumulators 3 liefern kann und an der Klemme 1 angeschlossen ist. Wenn das Ladegerät gleichzeitig zum Laden von mehreren Akkumulatoren vorgesehen ist, werden einzelne Akkumulatoren je über einen Schalter 2 angeschlossen, wobei das Einsetzen eines Akkumulators den entsprechenden Schalter betätigt. Ein Referenzspannungsgenerator 4 liefert über eine Folgeschaltung 5 eine Referenzspannung an der Klemme M, welche mit einem Eingang 8 eines Fensterdiskriminators 10 (z.B. TCA 965) verbunden ist. Die Referenzspannung kann mit Hilfe eines Potentiometers 11 in Funktion der Akkumulatorspannung, d.h. der Anzahl Zellen des Akkumulators, eingestellt werden. In Figur 2 ist die Wirkungsweise des Fensterdiskriminators 10 dargestellt. Die obere und die untere Fensterkanten sind durch die Spannungen U8 + U9, bzw. U8 - U9 bestimmt, die an den Eingängen 8 und 9 durch einen Spannungsteiler geliefert werden. Die Spannung U8, die gleich der Referenzspannung URef ist, entspricht der Fenstermitte. Die zu vergleichende Spannung U6/7 wird an den gemeinsamen Klemmen 6 und 7 des Fensterdiskri- minators angelegt. Figur 2 zeigt, dass wenn die Spannung U6/7 die untere Fensterkante überschreitet, der Ausgang 14 des Fensterdiskriminators von "L" zu H" schaltet. Umgekehrt, wenn die Spannung U6/7 die untere Fensterkante unterschreitet, schaltet der Ausgang 14 von "H" zu "L". Während der Prüfphase entspricht U6/7 der Akkumulatorspannung. Die Referenzspannung URef ist so gewählt, dass sie um 10 % höher ist als die Endladespannung des Akkumulators 3. Der Ausgang 14 des Fensterdiskriminators 10 steuert ein Relais 20, welches im abgefallenen Zustand (Ausgang 14 auf "H"), die Prüfphase und im angezogenen Zustand (Ausgang 14 auf "L") die Ladephase des Akkumulators bestimmt. Das Relais 20 weist die Umschaltkontakte 21, 22, 23, und 24 auf. Diese Umschaltkontakte sind bei der Prüfphase in der Stellung "a" und bei der Ladephase in der Stellung "b". Bei der Ladephase ist, wie erwähnt, das Relais 20 im angezogenen Zustand und die Umschaltkontakte in der Stellung "b". Der Transistor 13 liefert dann einen Ladestrom über den Kontakt 21 an den Akkumulator. Der Ladestrom beträgt z.B. 380 mA für einen Akkumulator mit einer Kapazität von 450 mAh. Die Grösse dieses Ladestromes ist durch den Widerstand 15 bestimmt. Während der Ladephase lädt die Referenzspannung den Kondensator 16 über den Widerstand 17 auf. Die Zeitkonstante R17C16 kann so gewählt werden, dass die Ladephase z.B. zwischen 5 Sekunden und 15 Minuten dauert. Die Spannung am Kondensator 16 wird über das RC-Glied 18, 19 am Messeingang 6/7 des Fensterdiskriminators 10 angelegt und die Ladephase endet wenn die untere Fensterkante durch die Spannung U6/7 überschritten wird, wobei der Ausgang 14 des Fensterdiskriminators von "L" auf "Bw schaltet und das Abfallen des Relais 20 verursacht. Die Schaltung befindet sich dann in der Prüfphase. Die Umschaltkontakte 21 - 24 sind nun in der dargestellten Stellung nan. Am Anfang der Prüfphase wird der Kondensator 25 durch den Widerstand 26 geladen, wodurch dem Akkumulator 3 eine relativ grosse Entladestromspitze entzogen wird. Beträgt z.B. die Kapazität des Akkumulators 450 mAh, wird eine Entladestromspitze von z.B. 475 mA dem Akkumulator entzogen. Am Ende der Ladephase, bzw. am Anfang der Prüfphase liegt die Spannung U6/7 am Messeingang des Fensterdiskriminators 10 über der unteren Fensterkante. Die Akkumulatorspannung wird über den Kontakt 24 und den Widerstand 19 am Messeingang des Fensterdiskriminators angelegt. Ist die Akkumulatorspannung infolge des Entladestromes kleiner als die untere Fensterkante, wird sofort auf Laden umgeschaltet und eine neue Ladephase beginnt. Während der Prüfphase, die z.B. nur 50 ms betragen kann, wird der Kondensator 16 über den Widerstand 27 entladen. Ist die Akkumulatorspannung höher als die untere Fensterkante, bleibt die Prüfphase bestehen: Das Laden des Akkumulators ist beendet. Gleichzeitig erhält der Akkumulator einen Erhaltungs- strom von etwa 14 mA über den Widerstand 28. Voll entladene Akkumulatoren erreichen bald den nominellen Spannungswert, jedoch ohne Kapazität. Während der Prüfphase wird in diesem Falle durch den kurzzeitigen Stromentzug die untere Fensterkante unterschritten und eine neue Ladephase beginnt, wie oben beschrieben. Unterschreitet die Akkumulatorspannung durch starke Selbstentladung die untere Fensterkante, so beginnt auch wieder eine neue Ladephase. Während der Ladephase wird den Kondensator 25 über die Widerstände 26 und 27 entladen. Das Ladegerät enthält eine Temperaturregelung der Referenzspannung URef = U8, d.h. der unteren Fensterkante des Fensterdiskriminators 10 in Funktion der Akkumulatortemperatur. Dabei wird proportional der temperaturabhängigen Akkumulator-Endladespannung die untere Fensterkante in der richtigen Richtung verschoben. Durch den relativ grossen Ladestrom von z.B. 380 mA erhitzt sich ein stark entladener Akkumulator schnell bis auf 400C. Figur 3 zeigt, dass ein Akkumulator mit 400C Innentemperatur und einer Einladekapazität von 120 % die maximale Zellenspannung von ca. 1,385 Volt erreicht. Bei einem Akkumulator mit 200C Innentemperatur entspricht diese Zellenspannung einer Einladekapazität von nur 30 % und bei OOC Innentemperatur nur noch 18 %. Aus diesem Grunde ist eine Temperaturkompensation erforderlich. Für die Temperaturregelung ist ein Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten 29 unmittelbar neben dem Akkumulator vorgesehen. Durch diesen Widerstand 29 wird die Eingangsspannung der Folgeschaltung 5 so eingestellt, dass die Referenzspannung bei sinkender Temperatur des Akkumulators nach oben verschoben wird. Es ist einzusehen, dass ein Hilfswiderstand an die Klemmen c und d parallel zum Widerstand 29 angeschlossen werden kann, um die Refe renzspannung bei 20 OC genau einzustellen. Die Schaltung funktioniert im Bereiche von OOC bis 500C. Es ist jedoch damit zu rechnen, dass die Innentemperatur eines Akkumulators, der sich längere Zeit in der Prüfphase befindet und welcher den Erhaltungsstrom von ca. 14 mA erhält, nicht unter 150C fällt. Es kann bei stark erhitztem Akkumulator vorkommen, dass durch die Temperaturregelung die Endladespannung erreicht wird, und dass die Prüfphase beginnt. Wird nun durch den Unterbruch des. Ladestromes der Akkumulator abgekühlt, verschiebt sich die untere Fensterkante U6/7 nach oben. Die Akkumulatorspannung liegt dadurch unterhalb der Fensterkante und es beginnen wieder neue Ladephasen wie oben beschrieben. Diese Reihenfolge kann sich zweibis dreimal wiederholen, bis der Akkumulator seine 100 prozentige Endladespannung in einer gegebenen Ungebungs- temperatur erreicht hat. Das Ladegerät enthält ferner eine Störschaltung mit Rücksetzautomatik. Die Spannung eines Akkumulators mit einer defekten Zelle erreicht am Ende der ersten Ladephase eine Spannung von 9,1 Volt nicht, welche Spannung einem minimalen Laden des Akkumulators entspricht. Somit ist ein Weiterladen sinnlos. Ein Komparator 30 erhält die Akkumulatorspannung und vergleicht sie mit einer Schwellenspannung von 9,1 Volt, welche durch eine Zenerdiode 31 geliefert wird. Kurz vor beendigung der Ladephase, liefert ein Komparator 32 den Betriebstrom für die Zenerdiode 31. Danach prüft der Komparator 30 die Akkumulatorspannung und setzt im Falle eines defekten Akkumulators den Störungsspeicher 33 (Flip-Flop) dessen Ausgang auf "L" geht und übel den Inhibit Eingang 12 des Fensterdiskriminators 10 die Ladephase blockiert. Die Storungsmeldung wird solange gespeichert bis der defekte Akkumulator aus dem Ladegerät entfernt wird. Beim Einsetzen eines neuen Akkumulators wird der Flip-Flop 33 über den Kondensator 34 zurückgesetzt. Wird ein voll entladener Akkumulator ins Ladegerät eingesetzt, ist es möglich, dass die Spannung von 9,1 Volt kurz vor der Beendigung der ersten Ladephase nicht erreicht wird, obwohl der Akkumulator keinen Defekt aufweist. Die Störschaltung spricht an und der Ladestrom (z.B. 380 mA) wird unterbrochen. Der Akkumulator erhält aber den Erhaltungsstrom von ca. 14 mA und er lädt sich langsam auf. Die Akkumulatorspannung wird dann durch den Komparator 35 mit einer Schwellenspannung von ca. 10 Volt, welche durch eine Zenerdiode 36 geliefert wird, verglichen. Erreicht die Akkumulatorspannung die 10 Volt-Schwellenspannung, so schaltet der Ausgang des Komparators 35 auf H und der Flip-Flop 33 wird über den Kondensator 42 zurückgesetzt. Eine neue Ladephase mit dem vollen Ladestrom kann beginnen. Das Ladegerät enthält auch Betriebsarten-Anzeigen. Beim Laden fliesst ein konstanter Ladestrom, welcher durch den Widerstand 15 bestimmt wird, über den Transistor 13 in den Akkumulator. Der Basisstrom des Transistors 13 fliesst zum Relais 20. Der Spannungsabfall über den Widerstand 15 reicht aus um die LED-Anzeige 37 zum Leuchten zu bringen. Ist der Ladestrom durch schlechten Kontakt am Akkumulatoranschluss zu klein oder unterbrochen, entsteht am Widerstand 15 nur noch ein kleiner oder kein Spannungsabfall, und die LED-Anzeige 37 leuchtet nicht. Die Schaltung erlaubt somit den Zustand der Kontakte am Akkumulatoranschluss, zu prüfen. Während der Prüfphase, befindet sich der Ausgang 14 des Fensterdiskriminators auf "H". Dadurch wird der Transistor 38 über Dioden leitend gemacht und die LED Anzeige 39 leuchtet. Ist aber der Ausgang Q des Flip Flops 33 auf "L" (Störung), so bleibt der Transistor 38 gesperrt und die LED-Anzeige 39 leuchtet nicht. Im Falle einer Störung schaltet der Ausgang 0 des Flip-Flops 33 auf H". Der Transistor 40 wird dadurch leitend und die LED-Anzeige 41 leuchtet. Diese Led Anzeige 41 zeigt somit eine Störung an. Wie oben erwähnt, ist der Ladestrom durch den Widerstand 15 bestimmt. Im Normalbetriebsfall kann dieser Ladestrom durch diesen Widerstand zwischen 5 und 150 % des Stromes, welcher der Nennkapazitat des Akkumulators entspricht, eingestellt werden, d.h., dass bei einem Akkumulator mit einer Nennkapazität von z.B. 800 mAh, der Ladestrom 40 mA bis 1200 mA betragen würde. Ebenfalls kann durch das RC-Glied R26C25 der Prüfentladestrom zwischen 5 und 150 8 des Stromes, welcher der Nennkapazität des Akkumulators enstpricht, eingestellt werden. Die oben beschriebene Schaltung ist nur eine mögliche Ausführungsform der Erfindung. Andere Varianten sind möglich. So kann z.B. der Fensterdiskriminator 10 durch zwei vollelektronische Taktgeber ersetzt werden, wobei der eine Taktgeber die Dauer der Ladephase und der andere die Dauer der Prüfphase bestimmen wurde. Im Falle wo Explosionsgefahr besteht, kann auch das Relais 20 durch eine vollelektronische Schaltung ohne mechanische Kontakte, ersetzt werden.

Claims: ANSPRUECHE 1. Verfahren zum Laden eines Ni-Cd oder Ni-Fe Akkumulators, dadurch gekennzeichnet, dass dem Akkumulator ein Ladestrom zugeführt wird, dass das Laden intermittierend erfolgt, dass jeweils während des Ladeunterbruchs der Ladezustand des Akkumulators durch Vergleich der Spannung des durch einen Entladestrom belasteten Akkumulators mit einer ersten Schwellenspannung, welche der Spannung des voll geladenen Akkumulators entspricht, geprüft wird, und dass das Laden endgültig beendet wird wenn die Akkumulatorspannung die erste Schwellenspannung überschreitet. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladestrom zeitlich begrenzt ist. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladestrom des Akkumulators durch das Laden eines Kondensators über einen Widerstand verursacht wird. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils kurz vor Beendigung einer Ladephase die Akkumulatorspannung mit einer zweiten Schwellenspannung, welche einem minimalen Ladezustand des Akkumulators entspricht, verglichen wird, wobei wenn die Akkumulator spannung unterhalb dieser zweiten Schwellenspannung liegt, der Ladestrom unterbrochen wird und ein Erhaltungsstrom, der kleiner ist als der normale Ladestrom dem Akkumulator zugeführt wird, so dass der Akkumulator weiter geladen wird bis die Akkumulatorspannung eine dritte Schwellenspannung, die höher ist als die zweite Schwellenspannung, erreicht, wonach der normale Ladestrom in einer neuen Ladephase dem Akkumulator zugeführt wird. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine neue Ladephase verhindert wird im Falle eines defekten Akkumulators dessen Spannung trotz des Erhaltungsstromes die zweite Schwellenspannung nicht erreicht. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schwellenspannung durch die Temperatur des Akkumulators geregelt wird, um die erste Schwellenspannung an die Akkumulatorspannung bei dieser Temperatur anzupassen. 7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladezustand, der Prüfzustand und ein Stö rungszustand im Falle eines defekten Akkumulators je durch einen Indikator angezeigt werden. 8. Ladegerät zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es eine stabilisierte Spannungsquelle und eine Referenzquelle (4), welche mit einem Fensterdiskriminators (10) verbunden ist, aufweist, wobei der Fensterdiskriminator (10) einen Schaltkreis (20) steuert, welcher intermittierend das Laden des Akkumulators (3) durch die stabilisierte Spannung und das Prüfen des Ladezustandes des Akkumulators durch Vergleich der Akkumulatorspannung mit einer ersten Schwellenspannung, welche einem minimalen Ladezustand des Akkumulators entspricht, erlaubt. 9. Ladegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Referenzspannung (URef = U8) und eine Hilfsspannung (U9) die Breite des Fensters des Fensterdiskriminators (10) bestimmen, wobei die erste Schwellenspannung der unteren Fensterkante ((U8 - U9) entspricht, und dass die Dauer der Ladephase durch eine RC-Schaltung (16,17) bestimmt wird, welche durch die Referenzspannung gespeist wird und mit einem Messeingang (6/7) des Fensterdiskriminators (10) verbunden ist, wobei die Ladephase beendet ist wenn die durch die RC-Schaltung (16,17) am Messeingang (6/7) gelieferte Spannung die erste Schwellenspannung erreicht, wonach ein Ausgang (14) des Fensterdiskriminators (10) den Schaltkreis (20) so steuert, dass der Ladezustand des Akkumulators (3) geprüft wird. 10. Ladegerät nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Komparator (30) die Akkumulatorspannung mit einer zweiten Schwellenspannung (31), welche einem minimalen Ladezustand des Akkumulators entspricht, kurz vor der Beendigung der Ladephase vergleicht, wobei im Falle einer Akkumulatorspannung unterhalb dieser zweiten Schwellenspannung der Komparator (30) einen Flip-Flop (33) setzt, dessen eine Ausgang (Q) mit einem Inhibit-Eingang (12) des Fensterdiskriminators (10) verbunden ist, um die Ladephase zu blockieren. 11. Ladegerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Akkumulator (3) dessen Spannung kleiner ist als die zweite Schwellenspannung einen Erhaltungsstrom welcher kleiner ist als der normale Ladestrom erhält, durch welchen er langsam geladen wird, wobei ein zweiter Komparator (35) die Akkumulatorspannung mit einer dritten Schwellenspannung (36) vergleicht und im Falle einer Akkumulatorspannung über der dritten Schwellenspannung der zweite Komparator (35) dem Flip-Flop (33) einen Rücksetzimpuls liefert, um eine neue Ladephase zu erlauben. 12. Ladegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerstand (29) mit negativem Temperaturkoeffizienten unmittelbar beim Akkumulator (3) eingebaut ist, welcher Widerstand so auf die Referenzspannungsquelle (4,5) wirkt, dass die Referenzspannung immer der Tem peratur des Akkumulators angepasst wird. 13. Ladegerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es Anzeigen aufweist, um den Ladezustand, den Prüfzustand und den Störungszustand welcher eine defekten Akkumulator entspricht, anzuzeigen.

Inventors: GLUR, HANSPETER
Applicants: GLUR, HANSPETER
Application year: 1985
Main classification: H02J7
IPC codes: H02J7