СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРА
METHOD AND DEVICE FOR CHARGING AN ACCUMULATOR

Изобретение относится к способу зарядки аккумулятора. Кроме того, изобретение относится к устройству для зарядки аккумулятора, содержащему блок управления, выполненный с возможностью контроля зарядного тока при работе устройства.
Способы и устройства для зарядки аккумуляторов общеизвестны. Так, аккумуляторы заряжаются так называемым способом CCCV, при котором зарядный ток и зарядное напряжение поддерживаются постоянными в течение всего процесса зарядки. Однако зарядная мощность зависит от текущего напряжения холостого хода заряжаемого аккумулятора, так что аккумуляторы с более низким уровнем заряженности заряжаются с использованием меньшей зарядной мощности. Чем больше падает уровень заряженности аккумулятора, тем меньше зарядная мощность. Это приводит к тому, что со снижением уровня заряженности пропорционально возрастает время, необходимое для полной зарядки аккумулятора.
Если, например, способом CCCV должен быть заряжен аккумулятор маршрутного автобуса с электроприводом, то может произойти так, что аккумулятор не полностью зарядится на зарядной станции, на которой остановился автобус, например на остановке. Если на следующей зарядной станции заряд, израсходованный во время поездки между зарядными станциями, не полностью будет передан аккумулятору, то уровень его заряженности все больше снижается. Однако снижение уровня заряженности ускоряется из-за пропорционально увеличивающегося времени зарядки, по мере снижения уровня заряженности, в результате чего аккумулятор все больше разряжается и при запланированных остановках зарядки может зарядиться до значительно меньшего уровня. Следовательно, уменьшается запас хода маршрутного автобуса.
В ЕР 2472700 А1 раскрыто устройство, соответствующее ограничительной части независимого п. 1 формулы.
В основе изобретения лежит задача создания способа и устройства для зарядки повторно заряжаемого аккумулятора, которые позволили бы быстрее зарядить аккумулятор независимо от его уровня заряженности.
В части способа задача решается за счет того, что аккумулятор заряжается зарядным током, зависящим от уровня заряженности аккумулятора. В части устройства задача решается за счет того, что блок управления выполнен с возможностью осуществления указанного способа зарядки аккумулятора.
За счет того, что зарядный ток выбирается или задается в зависимости от уровня заряженности, зарядный ток можно повысить при низком уровне заряженности, так чтобы аккумулятор можно было зарядить с более высокой зарядной мощностью по сравнению со способом CCCV.
Предложенное решение может быть усовершенствовано за счет различных, предпочтительных и, если это не указано особо, произвольно комбинируемых между собой улучшений. Об этих модификациях и связанных с ними преимуществах ниже говорится более подробно.
Так, зарядный ток можно регулировать так, чтобы произведение зарядного тока и напряжения холостого хода аккумулятора было практически постоянным. Произведением зарядного тока и напряжения холостого хода является зарядная мощность. Следовательно, независимо от уровня заряженности аккумулятор может заряжаться с высокой, если возможно, постоянной или даже максимально допустимой зарядной мощностью, благодаря чему сокращается время, необходимое для зарядки аккумулятора.
В качестве альтернативы или дополнительно зарядный ток можно регулировать так, чтобы произведение зарядного тока и напряжения холостого хода аккумулятора в начале цикла зарядки было больше, чем позднее или в конце цикла зарядки. Например, зарядная мощность в начале цикла зарядки может быть по меньшей мере вдвое и, например, втрое или впятеро больше, чем в конце цикла зарядки.
Максимально допустимая зарядная мощность зависит от типа (дизайн + химия) аккумулятора. Внутреннее сопротивление аккумулятора является причиной потери мощности в процессе зарядки, что приводит к нагреву. Температура аккумулятора должна оставаться соответственно ниже предельного значения во избежание сокращения срока службы.
Определение изменяющегося в процессе зарядки внутреннего сопротивления может осуществляться, например, путем определения соотношения между (зарядное напряжение-напряжение холостого хода) и зарядным током.
Напряжение холостого хода можно повторно определить в процессе зарядки. При изменении уровня заряженности в процессе зарядки изменяется также напряжение холостого хода. Поэтому, зарядный ток можно легко отслеживать, с тем чтобы в любое время использовать, по существу, требующуюся зарядную мощность, например максимально допустимую зарядную мощность аккумулятора.
Напряжение холостого хода, согласно изобретению, в процессе зарядки определяют чаще, чем каждые десять минут, например каждые пять минут, каждые две минуты или раз в минуту. Даже если заряжаемым аккумулятором является особенно быстро заряжаемый аккумулятор, то напряжение холостого хода в процессе зарядки изменяется лишь медленно и, например, в названном интервале лишь незначительно, так что зарядное напряжение за счет слежения за зарядным током можно подстроить достаточно точно и, например, поддерживать, практически, постоянным.
Чтобы можно было легко измерить напряжение холостого хода аккумулятора, можно для определения напряжения холостого хода прервать протекание зарядного тока к аккумулятору в процессе зарядки. Благодаря более высокой зарядной мощности по сравнению со способом CCCV этот способ позволяет, тем не менее, быстрее зарядить аккумулятор.
Например, для определения напряжения холостого хода можно прервать зарядный ток менее чем на одну секунду, менее чем на полсекунды и, например, менее чем на 100 миллисекунд. Такое короткое прерывание зарядного тока обеспечивает достаточно точное измерение напряжения холостого хода без ненужного увеличения требующегося для зарядки времени.
По сравнению с продолжительностью непрерывного этапа процесса зарядки, во время которого аккумулятор непрерывно заряжается зарядным током, продолжительность прерывания зарядного тока составляет менее 5%, менее 2%, менее 1%, менее 0,5% или даже менее 0,01% продолжительности непрерывного этапа.
Чтобы заряжать аккумулятор с максимально возможной зарядной мощностью, можно определить максимально возможную зарядную мощность в процессе зарядки на основе свойства аккумулятора. При этом максимально возможной зарядной мощностью является зарядная мощность, при которой аккумулятор может быть заряжен без повреждений или сокращения срока службы.
В частности, зарядный ток можно уменьшить, если указанное свойство лежит за пределами его допустимого рабочего интервала, благодаря чему зарядную мощность легко контролировать.
Например, можно определить температуру аккумулятора. Если температура возрастает выше предельного значения, то можно уменьшить зарядную мощность, т.е., в частности, зарядный ток.
В качестве температуры аккумулятора можно измерять температуру на внешней стороне аккумулятора. Для более точного определения температуры аккумулятора можно измерить температуру внутри него и преимущественно по центру. В месте измерения может быть расположен температурный датчик, расположенный, например, между двумя элементами внутри аккумулятора. Поэтому, измерение температуры внутри аккумулятора является конструктивно сложным делом. Предпочтительно, поэтому, температуру измерять не в центре, а, например, на внешней стороне аккумулятора; температура внутри аккумулятора определяется математически с помощью измеренной температуры и известных физических свойств аккумулятора.
Применение температуры аккумулятора имеет, однако, недостаток: для ее измерения требуется температурный датчик. Чтобы определить максимально возможную зарядную мощность без температурного датчика, можно в качестве указанного свойства выбрать внутреннее сопротивление аккумулятора в процессе зарядки.
Для определения внутреннего сопротивления можно вычесть из зарядного напряжения выявленное в процессе зарядки напряжение холостого хода и разделить результат на зарядный ток. Если напряжение холостого хода, зарядное напряжение и зарядный ток в процессе зарядки контролируются, то не потребуются никакие другие измерения.
Для того, чтобы легко измерить напряжение холостого хода, устройство может содержать прибор для измерения напряжения холостого хода заряжаемого аккумулятора. При этом прибор для измерения напряжения может быть подключен просто параллельно зарядным контактам устройства. Например, прибором для измерения напряжения может быть вольтметр.
С помощью прибора для измерения напряжения можно определить также зарядное напряжение, так что устройство может быть выполнено простым и компактным.
Для определения внутреннего сопротивления устройство может содержать блок определения внутреннего сопротивления, который соединен с прибором для измерения напряжения и блоком управления с возможностью передачи сигналов. От прибора для измерения напряжения на блок определения внутреннего сопротивления могут передаваться данные, представляющие зарядное напряжение и/или напряжение холостого хода. От блока управления на блок определения внутреннего сопротивления могут передаваться данные, представляющие зарядный ток. В блоке определения внутреннего сопротивления, который может быть интегральной схемой, например микрочипом, определяется внутреннее сопротивление. Определенное таким образом внутреннее сопротивление может подаваться от блока определения внутреннего сопротивления на блок управления. Кроме того, блок управления может быть выполнен с возможностью соединения с температурным датчиком аккумулятора.
После отключения зарядного тока проходит определенное время, прежде чем напряжение аккумулятора упадет до напряжения холостого хода. Чтобы прерывание зарядного тока было максимально коротким, можно отказаться от полного падения напряжения аккумулятора до напряжения холостого хода. В частности, можно определить характеристику напряжения аккумулятора после отключения зарядного тока и измерить, например, выборочно. С помощью выборочных измеренных значений можно при известной характеристике напряжения аккумулятора оценить или определить напряжение холостого хода математическим методом. Например, напряжение аккумулятора после отключения зарядного тока может падать экспоненциально. На основе выборочных измеренных значений напряжение холостого хода можно определить или достаточно точно оценить, например, путем подбора кривой, без необходимости падения напряжения аккумулятора полностью до напряжения холостого хода.
Блок управления может содержать ограничитель зарядного тока, который, с возможностью приема сигналов, соединен с блоком определения внутреннего сопротивления. На основе определенного таким образом внутреннего сопротивления ограничитель зарядного тока может ограничить зарядный ток во избежание слишком высокой зарядной мощности.
Ниже изобретение поясняется с помощью вариантов его осуществления со ссылкой на чертежи. При этом различные признаки вариантов могут комбинироваться независимо друг от друга, как это было уже изложено в отдельных предпочтительных выполнениях. На чертежах:
фиг. 1 - пример выполнения способа в виде блок-схемы;
фиг. 2 - схематичный пример выполнения устройства.
На фиг. 1 в виде блок-схемы изображен способ 1 зарядки аккумулятора. Способ 1 начинается с этапа 2, на котором аккумулятор подключается к зарядному устройству. За этапом 2 может следовать этап 3, на котором измеряется напряжение холостого хода заряжаемого аккумулятора, причем при измерении напряжения холостого хода может быть прерван зарядный ток. За этапом 3 может следовать этап 4, на котором зарядный ток выбирается так, чтобы заряжаемый аккумулятор заряжался с заданной зарядной мощностью.
На этапе 5 аккумулятор может быть заряжен выбранным зарядным током. На следующем этапе 6 можно определить, прошло ли заданное время зарядки или достигнут ли заданный уровень заряженности. Если заданный уровень заряженности, например 100% или по меньшей мере 95% или 90% максимально возможного уровня заряженности аккумулятора еще не достигнуто, а заданное время зарядки прошло, то за этапом 6 может следовать этап 3, на котором снова измеряется напряжение холостого хода. С помощью измеренного на этапе 3 напряжения холостого хода можно на выполненном этапе 4 заново выбрать зарядный ток и на этапе 5 продолжить заряжать этим заново выбранным зарядным током аккумулятор в течение заданного времени зарядки. Если требуемый уровень заряженности достигнут, то за этапом 6 может следовать этап 7, которым способ заканчивается.
Опционально за этапом 3 может следовать сначала этап 8, на котором определяется свойство аккумулятора, например его температура или внутреннее сопротивление. За этапом 8 может тогда следовать снова этап 4, на котором, с учетом напряжения холостого хода и определенного свойства аккумулятора, выбирается зарядный ток.
На фиг. 2 схематично изображено устройство 10 для зарядки аккумулятора. Устройство 10 содержит два зарядных контакта 11, 12 для подключения заряжаемого аккумулятора. Далее устройство 10 содержит блок управления 13, с помощью которого можно контролировать параметры зарядки, например зарядный ток и/или зарядное напряжение. Кроме того, устройство 10 снабжено прибором 14 для измерения напряжения, который может быть включен параллельно зарядным контактам 11, 12, чтобы измерять напряжение подключенного к зарядным контактам 11, 12 аккумулятора.
На фиг. 2 схематично изображено устройство 10 для зарядки аккумулятора. Устройство 10 содержит два зарядных контакта 11, 12 для подключения заряжаемого аккумулятора. Далее устройство 10 содержит блок управления 13, с помощью которого можно контролировать параметры зарядки, например зарядный ток и/или зарядное напряжение. Кроме того, устройство 10 снабжено прибором 14 для измерения напряжения, который может быть включен параллельно зарядным контактам 11, 12, чтобы измерять напряжение подключенного к зарядным контактам 11, 12 аккумулятора.
Кроме того, устройство 10 может содержать блок 15 определения внутреннего сопротивления. Блок 15 может быть соединен, с возможностью передачи сигналов, как с прибором 14 для измерения напряжения, так и с блоком управления 13. С помощью зарядного напряжения и зарядного тока, а также напряжения холостого хода блок 15 определения внутреннего сопротивления может определить в качестве свойства заряжаемого аккумулятора его внутреннее сопротивление. Блок 15 определения внутреннего сопротивления может также принимать от блока управления 13 данные, представляющие зарядный ток. С помощью принятых данных блок 15 определения внутреннего сопротивления может определить и, например вычислить, внутреннее сопротивление или оценить или определить его математическим методом, например посредством алгоритма. Блок 15 определения внутреннего сопротивления может передавать на блок управления 13 данные, представляющие определенное внутреннее сопротивление. В блоке управления 13 внутреннее сопротивление может использоваться для задания зарядного тока.
Температура аккумулятора может измеряться, например температурным датчиком. Для определения внутреннего сопротивления аккумулятора можно с помощью блока 15 определения внутреннего сопротивления разделить разность значений напряжения холостого хода и зарядного напряжения на зарядный ток.
Значения напряжения холостого хода и зарядного напряжения, а также зарядного тока могут быть представлены цифровыми данными или аналоговыми сигналами. Устройством 10 может быть блок управления транспортного средства, в частности транспортного средства с электроприводом, с накапливающим приводную энергию аккумулятором. Транспортным средством является, например маршрутный автобус.