DE69519953T2 - Verfahren zur Nachladung einer Batterie mit Signal-Rauschverhältnis empfindlicher Abtastung, wobei die Beendigung der Ladung bei fallender Spannungskurve erfolgt - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf wiederaufladbare Batterien und auf elektronische Schaltungen zum Laden von wiederaufladbaren Batterien.
• Wiederaufladbare Batterien sind für die Verwendung in elektronischer Ausrüstung, kraftgetriebenen Werkzeugen, tragbaren Computern, schnurlosen Telefonen, Kinderspielzeugen und ähnlichem weitverbreitet. Praktisch jeder Benutzer von wiederaufladbaren Batterien wünscht sich die Fähigkeit, sie so schnell wie möglich wiederaufladen zu können. Weiterhin schätzen einige Benutzer den Komfort, eine wiederaufladbare Batterie über die gesamte Zeit in der Ladevorrichtung zu lassen, so daß immer eine vollständig aufgeladene Batterie zur Verfügung steht. Um der ersteren der Anforderungen zu entsprechen, steht eine Anzahl von schnellaufladenden Batterie-Ladevorrichtungen zur Verfügung. Um der letzteren der Anforderungen zu entsprechen, gibt es eine Anzahl von Batterieladevorrichtungen, die nach dem Pufferladeprinzip arbeiten.
• Unabhängig davon, ob die Batterie-Ladevorrichtung als Schnell- Ladeeinrichtung oder als Pufferlade-Einrichtung ausgestaltet ist, ist es in einem hohen Maße wünschenswert, ein Überlasten zu vermeiden. Ein Überlasten erzeugt eine unerwünschte Erwärmung und hohe Drücke, wodurch die Zellen der Batterie physikalisch und chemisch verändert werden können, und die Fähigkeit der Batterie zur Ladungserhaltung herabgesetzt wird. Dieses Problem ist insbesondere dann vorherrschend, wenn schnell-aufladende Batterie-Ladevorrichtungen verwendet werden. Schnell-aufladende Batterie-Ladevorrichtungen liefern normalerweise einen Hochladestrom, der die Batterie schnell überhitzen kann, wenn die Ladestromzufuhr nicht beendet oder stark reduziert wird, nachdem der vollständig aufgeladene Zustand erreicht ist.
• Die präzise Bestimmung, wann die Hochladestromzuführung zu beenden ist, ist nicht einfach eine Aufgabe der Erfassung, wann die Batteriespannung den Vollaufladungspegel erreicht hat. In den meisten Batterien steigt die Spannung nichtlinear an, wenn ein Ladestrom angelegt ist, und es ist oft schwierig, genau zu erfassen oder genau vorherzusagen, wann die Vollaufladungs-Spannung erreicht ist.
• Der Anmelder hat einen beträchtlichen Aufwand für das Analysieren der Spannungskennwerte der wiederaufladbaren Batterien während des Anlegens des Ladestromes geleistet. Heute ist bekannt, daß die Batteriespannung über die Zeit ansteigt, über die der Ladestrom angelegt ist, und daß die Spannung-Zeit-Kurve verschiedene Wendepunkte aufweist, an denen die Neigung oder die erste Ableitung der Spannung-Zeit-Kurve sich tatsächlich vom Positiven ins Negative oder vom Negativen zum Positiven ändert. Die US-Patente Nr. 4,388,582 und 4,392,101 (Saar u. a.) beschreiben diese Wendepunkte im Zusammenhang mit einem Schnellaufladesystem für wiederaufladbare Batterien.
• Obwohl die Technologie für die Wendepunktanalyse, die in diesen Patenten beschrieben ist, weitestgehend erfolgreich gewesen ist, gibt es noch Interesse an einer weiteren Verbesserung. Heute wird diese Saar-Technologie unter Verwendung von Mikroprozessor- oder Mikrosteuerungs-Schaltkreisen angewendet, welche die Batteriespannung während des Aufladens periodisch abfragen und die Abfragedaten werden verwendet, um eine Wendepunktanalyse durchzuführen. Analog-Digital-Wandler werden bei der Abfrage der Batteriespannungsdaten und beim Umwandeln dieser Daten in digitale Werte, welche der Mikrocomputer verarbeitet, verwendet. Die derzeitige Technologie des Patentinhabers verwendet logarithmische Analog-Digital-Wandler für diesen Zweck.
• Wenn die abgefragten Spannungsdaten bereits für die Verwendung bei der Saar-Wendepunktanalyse-Technologie erhalten wurden, können diese Daten auch dazu verwendet werden, um andere Lade- Beendigungstechnologien auszuführen. Eine solcher Technologien ist die Negativ-Neigung-Technologie, die versucht, die Ladestromzufuhr zu beenden, wenn die Neigung der Spannung-Zeit-Kurve negativ wird. Die Technologie der abfallenden Neigung kann anstelle der Saar-Wendepunkt-Technologie verwendet werden oder sie kann verwendet werden, um die Saar-Technologie zu intensivieren. Ein Problem der Technologie der abfallenden Spannung oder der negativen Neigung ist, daß sie sehr rauschempfindlich ist. Das Rauschen ist besonders unangenehm in den flachen Bereichen der Spannung-Zeit-Kurve, da ein kurzzeitiger Abfall der Spannung infolge des Rauschens falsch als abfallende Spannung oder negative Neigung ausgelegt werden kann.
• Die vorliegende Erfindung löst das Rauschproblem durch automatisches Verändern der effektiven Abfragerate im flachen Bereich der Spannung-Zeit-Kurve, um eine höhere Rauschunempfindlichkeit zu erhalten. Die Modulation der Abfragerate, um die Rauschunempfindlichkeit zu erhöhen, kann durch Erfassen der Neigung der Spannung-Zeit-Kurve und durch automatisches Verringern der Abfragerate erzielt werden, wenn der flache Abschnitt der Kurve erreicht ist.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Laden einer Batterie zur Verfügung gestellt, aufweisend die Schritte:
• Zuführen von Ladestrom zur Batterie;
• Überwachung der Batteriespannung während des Ladevorganges, um eine die Batteriespannung über der Zeit wiedergebende Ladekurve zu bestimmen, die eine erste Zeitspanne, während der die Rate der Zunahme der Batteriespannung verhältnismäßig gering ist, und eine zweite Zeitspanne enthält, während der die Rate der Zunahme der Batteriespannung verhältnismäßig groß ist;
• Liefern eines Beendigungsschrittes zur Beendigung der Zufuhr von Ladestrom, wenn die Neigung der die Batteriespannung über der Zeit wiedergebenden Ladekurve nicht positiv ist; und dadurch gekennzeichnet, daß:
• der die Neigung erfassende Beendigungsschritt während der ersten Zeitspanne unwirksam gemacht ist.
• Das Abschalten der Lade-Beendigungs-Routine in dieser Weise hat die Wirkung, daß die Abfragespanne auf eine Zeit erhöht wird, die länger ist, als der flache Bereich der Kurve. Somit werden jegliche durch Rauschen verursachte Veränderungen, die eine abfallende Spannung beinhalten, ignoriert.
• Somit löst die vorliegende Erfindung das vorher im Zusammenhang mit der abfallende Spannung-Neigung-Beendigung-Technologie angeführte Problem, indem diese Technologie automatisch unwirksam gemacht ist, wenn das Signal-Rausch-Verhältnis schlecht ist (d. h. wenn die Spannung-Zeit-Kurve verhältnismäßig flach ist). Zu anderen Zeiten kommt die abfallende Spannung-Neigung-Technologie zur Wirkung und gestattet, daß das Laden der Batterie beendet wird, wenn die Batterie vollständig aufgeladen ist und die Spannung abzusinken beginnt. Auf diese Weise kann die abfallende Spannung-Neigung-Technologie in Verbindung mit der Saar-Wendepunkt-Technologie oder als Ersatz dafür angewendet werden.
• Der Beendigungsschritt kann den Schritt des Messens der Neigung der die Batteriespannung über der Zeit wiedergebenden Ladekurve durch Erhalten von Batteriespannungsdaten mit einer ersten effektiven Abfragerate während der ersten Zeitspanne und mit einer zweiten effektiven Abfragerate während der zweiten Zeitspanne umfassen. Gemäß einer Ausführung der Erfindung kann die zweite Abfragerate durch Speichern der Batteriespannungsdaten in einer Datenstruktur und wahlweises Bearbeiten der Daten in der Struktur (zum Beispiel einem Mikroprozessor-Stapelspeicher) gegenüber der ersten Abfragerate vergrößert sein. Unter Verwendung dieser Technologie werden die Abfragen der Batteriespannungen in vorbestimmten Intervallen durchgeführt und in dem Stapelspeicher gespeichert. Eine langsamere Abfragerate wird im flachen Bereich der Kurve erreicht, indem jeder andere gespeicherte Wert, jeder dritte gespeicherte Wert, jeder vierte gespeicherte Wert usw. verwendet wird, um die gewünschte Modulierung der Abfragerate zu erreichen. Wenn es gewünscht ist kann der Durchschnittswert von benachbarten Stapelspeicherwerten gebildet werden, wodurch die Einflüsse des Rauschens weiter gemindert werden.
• Die erste Zeitspanne kann einem vorgegebenen Prozentsatz einer ungefähren Zeit entsprechen, die erforderlich ist, um eine vollständig entladene Batterie vollständig zu laden. Der vorgegebene Prozentsatz beträgt vorzugsweise etwa 15%.
• Die Erfindung wird nun lediglich in Form eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen zeigen in
• Fig. 1 eine beispielhafte Spannung-Zeit-Ladekurve für eine Nickel-Kadmium-Batterie, die beispielhafte Wendepunkte bei A und B aufweist;
• Fig. 2 ein schematisches Blockdiagramm, das den Haupt-Betriebs- und Steuerungsschaltkreis eines Schnell-Batterieladesystems darstellt;
• Fig. 3A bis Fig. 3C (gemeinsam als Fig. 3 bezeichnet) die Stapelspeicher-Datenstruktur einer Ausführung der Erfindung;
• Fig. 4 ein Flußdiagramm, das einen gegenwärtig bevorzugten Lade- Beendigungsvorgang gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert;
• Fig. 5 ein Flußdiagramm, das einen anderen Lade-Beendigungsvorgang gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt; und
• Fig. 6 eine angepaßte Ausführung der Erfindung.
• Die nachfolgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungen für ein Schnell-Laden von Batterien sind ihrer Art nach rein beispielhaft und sie ist in keiner Weise dazu bestimmt, die Erfindung oder ihre Anwendung oder ihre Nutzung einzuschränken.
• Wie in US 4,388,582 und US 4,392,101 offenbart, ist in Fig. 1 eine typische Spannung-Zeit-Kurve einer Ladefolge einer Nickel- Kadmium-(NiCad)-Batterie dargestellt. Es ist zu bemerken, daß die Erläuterung hierin auf das Laden einer Einzelbatterie gerichtet ist. Sie ist jedoch gleichermaßen auf eine Reihe von Batterien anwendbar, wie man sie in einem Batteriepack vorfinden würde. Wenn die Batterie geladen wird, steigt die Spannung kontinuierlich an, wie es durch die Kurve gezeigt ist, bis sie einen gewünschten maximalen Ladepunkt erreicht. Obwohl die spezifischen Werte der Kurve von Batterie zu Batterie differieren können, ist die allgemeine Form der Kurve für alle Nickel-Kadmium-Batterien typisch. Gleichermaßen weist jeder andere Typ einer wiederaufladbaren Batterie, der Stand der Technik ist, eine typische Spannung-Zeit-Kurve auf, die auf ihren Typ hinweist und somit ist der Prozeß, der nachfolgend behandelt wird, auf jeden dieser anderen Typen anwendbar.
• Wie dargestellt, kann die Spannung-Zeit-Kurve in zumindest vier deutlich ausgeprägte Bereiche unterteilt werden. Der Bereich I stellt den Beginn der Ladefolge dar, kurz nachdem die Batterie an der Ladeeinrichtung angebracht wurde und das Laden beginnt. Dieser Bereich wird deswegen durch eine gestrichelte Linie dargestellt, weil die Spannungskennwerte in diesem Bereich etwas unzuverlässig sind und von Batterie zu Batterie in Abhängigkeit von ihrer Vergangenheit bezüglich ihres Ladens und Entladens und von ihrem gegenwärtigen Entladezustand differieren können. Weiterhin ist dieser Bereich von geringer Bedeutung in der Ladefolge, da er allgemein innerhalb eines relativ kurzen Zeitraums (normalerweise zwischen 30 und 120 Sekunden) nach dem Beginn der Ladefolge durchlaufen wird.
• Nachdem die Ladefolge den Bereich I durchlaufen hat, tritt die Ladekurve in den stabileren Bereich 11 ein. Der Bereich 11 ist im allgemeinen der längste Bereich der Ladefolge, und er ist dadurch gekennzeichnet, daß in ihm der größte Teil der inneren chemischen Umwandlung in der Batterie selbst vor sich geht. Deswegen steigt die Batteriespannung über den Bereich 11 nicht wesentlich an und somit stellt dieser Bereich einen Plateau- Bereich in der Ladekurve dar. Am Ende des Bereiches 11 ist ein Wendepunkt A in der Kurve vorhanden. Der Wendepunkt A stellt einen Übergang von dem Bereich 11 zu dem Bereich III dar und es handelt sich dabei um einen Punkt, in dem die Neigung der Kurve von einer abnehmenden Rate zu einer zunehmenden Rate wechselt.
• Der Bereich III ist der Bereich, in dem die Batteriespannung in Bezug auf die Zeit schnell ansteigt und er stellt somit einen Bereich eines schnellen Spannungsanstiegs dar. Wenn sich die Batteriespannung über den Bereich III auf den vollständig geladenen Zustand erhöht, erhöhen sich auch der Innendruck und die Innentemperatur der Batterie. Wenn die Einflüsse von Temperatur und Druck in der Batterie in den Vordergrund treten, beginnt sich der Anstieg der Batteriespannung abzuschwächen. Dieser Abschwächungseffekt ist als Wendepunkt B zu beobachten und ist auch durch den steilen Abfall in der Ableitungskurve der Spannung dV/dt gekennzeichnet.
• Der Bereich IV stellt den vollständig geladenen Bereich zwischen dem Wendepunkt B und den Lade-Beendigungs-Zielpunkt einschließlich, der durch den Punkt C dargestellt ist, dar. Die Ladespannung stabilisiert sich an dem Punkt C nur für einen sehr kurzen Zeitraum. Daher bewirkt die zusätzliche Erwärmung in der Batterie bei Fortsetzen des Ladens, daß sich die Batteriespannung verringert und außerdem die Batterie beschädigt werden kann.
• US 4,388,582 und US 4,392,101 offenbaren ein Verfahren zum Analysieren der die Batteriespannung über der Zeit wiedergebenden Ladekurve durch Erfassen der Wendepunkte in der Kurve, um den geeigneten Zeitpunkt für das Beendigen des Schnelladevorganges zu bestimmen. Durch Messen der Neigung der Ladekurve mit einer vorgegebenen Abfragerate ist es möglich, zuerst den Wendepunkt A zu bestimmen und dann zu beginnen, den Wendepunkt B zu erwarten. Da die Abfrageperiode konstant ist, ist die Berechnung der Neigung lediglich eine Subtraktion der neuesten Spannungsabfrage von der vorherigen Spannungsabfrage. Wenn das Auftreten des Wendepunktes B erfaßt ist, ist die Batteriespannung tatsächlich schon über den Wendepunkt B hinaus. Somit ist die Batteriespannung bei Beendigen des Ladens durch die Erfassung des zweiten Wendepunktes B tatsächlich bei einem Punkt, der annähernd dem Punkt C auf der Kurve entspricht, wenn das Laden unterbrochen wird. Es ist daher zu erkennen, daß dieser Ladesteuerungsvorgang das Überladen der Batterie in den Bereich IV der Kurve vermeidet.
• Die Grundkomponenten der Schaltung, die funktional in einer Schnell-Batterieladeeinrichtung zu verwenden sind, werden zuerst behandelt. Es ist zu bemerken, daß diese Komponenten in Form eines nichteinschränkenden Beispiels erläutert sind, da andere Schaltungsausführungen gleichermaßen anwendbar sind. Sich der Fig. 2 zuwendend ist dort eine Halbbrücken-Stromversorgungsschaltung 10 in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. Die Schaltung 10 umfaßt eine Hochspannungseingangsschaltung 12 für das Zuführen einer Hochspannung zu einigen Komponenten der Schaltung 10, eine Niederspannungsstromversorgungsschaltung 14 für das Zuführen einer Niederspannung zu anderen Komponenten der Schaltung 10, eine Impulsbreitenmodulations-Oszillator-Schaltung 16 für das Erzeugen eines Hochfrequenzausgangs, der als ein Steuereingang für die Hochspannungsschaltung 12 verwendet wird, eine Konstantstromversorgungsschaltung 18 für das Liefern eines Konstantstromes zu einer Batterie 22, die zu laden ist, eine Ladestromüberwachungsschaltung 20 für das Überwachen der Ladestromrate der Batterie 22 und für die Zuführung eines Rückkopplungssignals zu der Impulsbreitenmodulations-Schaltung 16, um, wenn es gewünscht ist, das Steuersignal zu verändern, das der Hochspannungsschaltung 12 zugeführt wird. Ein Mikrocomputer 24 ist für das Steuern des Ladeschemas vorgesehen. Andere Schaltungskomponenten der Schaltung 10 sind eine wahlweise Temperaturkontrollschaltung 26, welche die Temperatur der Batterie 22 überwacht und eine digitale Anzeigeschaltung 30, um der Bedienungsperson die verschiedenen Parameter des Ladevorgangs anzuzeigen. Weiterhin ist ein Analog-Digital-Wandler 28 für das Umwandeln des analogen Batteriespannungssignals von der Batterie 22 in ein digitales Signal, das für die Verarbeitung durch den Mikrocomputer 24 geeignet ist, vorgesehen.
• Die Hochspannungsschaltung 12 nimmt, im allgemeinen von einem Standardausgang, einen 120-V-Wechselstrom (AC) auf. Das Wechselstromeingangssignal wird gleichgerichtet und gefiltert, um eine gleichmäßige Gleichspannung von etwa 150 Volt zu erzeugen. Das Wechselstromeingangssignal wird außerdem über einen Transformator (nicht dargestellt) über die Leitung 13 der Niederspännungs- Stromversorgungsschaltung 14 zugeführt. Die Niederspannungs- Stromversorgungsschaltung 14 führt ein Gleichrichten des Wechselstromsignals durch und führt das Signal bestimmten Spannungsregelschaltungen (nicht dargestellt) zu, um geregelte 5-Volt- und 15-Volt-Ausgänge für die anderen Schaltungskomponenten zur Verfügung zu stellen. Die verschiedenen 5-Volt- und 15-Volt- Versorgungsleitungen zu den anderen Schaltungskomponenten sind aus Gründen einer deutlicheren Darstellung weggelassen worden.
• Die Impulsbreitenmodulations-(PWM)-Oszillator-Schaltung 16 nimmt über die Leitung 15 ein 15-Volt-Signal von der Stromversorgungsschaltung 14 auf und stellt über die Leitung 17 der Hochspannungsschaltung 12 ein gepulstes Signal, im allgemeinen in Form einer Rechteckwelle, zur Verfügung. Das Rechteckwellensignal von der Oszillatorschaltung 16 wird über einen Kopplungstransformator (nicht dargestellt) einem Paar von Leistungs-Schalt-Transistoren (nicht dargestellt) zugeführt, welche durch übliche Phasensteuerungstechnologien die Strommenge regeln, die der Primärspule des Haupt-Untersetzungstransformators für jeden Halbzyklus der Wechselstrom-Wellenform zugeführt wird. Der Untersetzungstransformator wandelt das Hochspannungssignal an seiner Primärspule in ein Niederspannungs-Hochstromsignal an seiner Sekundärspule um und legt dieses Signal über die Leitung 19 an die Konstantstromversorgungsschaltung 18 an. Der Arbeitszyklus des Impulsbreitenmodulatorsignals von der Oszillatorschaltung 16 steuert somit den Pegel des der Batterie 22 zugeführten Ladestroms. Die Impulsbreitenmodulationsmethode minimiert die Abmessungen des Untersetzungstransformators, die erforderlich ist, um den notwendigen Hochstrom für die Stromversorgungsschaltung 18 zur Verfügung zu stellen. Die Impulsbreitenmodulations-Oszillator-Schaltung 16 umfaßt außerdem eine Weichstartschaltung (nicht dargestellt), um den Arbeitszyklus der Impulsbreitenmodulations-Oszillator-Schaltung 16 allmählich aufzubauen, wenn die Ladefolge beginnt.
• Wenn der Mikrocomputer 24 eine Ladefolge beginnt, indem über die Leitung 23 der Stromversorgungsschaltung 18 ein Signal zugeführt wird, wird der Ladestrom der Batterie 22 über die Niederspannungs-Konstantstromversorgungsschaltung 18 entlang der Leitung 21 zugeführt. Die Stromversorgungsschaltung 18 schließt vorzugsweise eine Schaltung für das Erfassen einer umgekehrten Polarität (nicht dargestellt) ein, welche die Schaltung 10 vor einer Beschädigung in dem Falle schützt, daß die Batterie 22 rückwärts eingesetzt ist. Der Batteriestrom wird entlang der Leitung 25 durch die Ladestromüberwachungsschaltung 20 erfaßt. Wenn der Ladestrom von dem vorgegebenen Pegel abweicht, führt die Ladestromüberwachungsschaltung 20 über die Leitung 27 der Impulsbreitenmodulations-Oszillator-Schaltung 16 ein Ausgangssignal zu. Die Impulsbreitenmodulations-Oszillator-Schaltung 16 verändert darauf den Arbeitszyklus des Rechteckwellensignals zu der Hochspannungsschaltung 12, um den Ladestrom entsprechend zu verändern. Gleichermaßen erzeugt der Mikrocomputer 24 am Ende der Hochstromladefolge ein Ausgangssignal auf einer Lade/Pufferladeleitung 29, um auf einen Pufferlademodus umzuschalten.
• Die Temperaturkontrollschaltung 26 ist eine Schaltung für das Überwachen der Batterietemperatur. Die gestrichelte Linie 31 von der Temperaturkontrollschaltung 26 stellt eine Wärmeerfassungsvorrichtung dar, wie zum Beispiel einen Thermistor, der körperlich in der Nähe der Position der Batterie 22 angeordnet ist, wenn er an die Ladeeinrichtung angeschlossen ist, um die Temperatur der Batterie 22 zu erfassen. Die Temperaturkontrollschaltung 26 stellt fest, wann die Batterietemperatur einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet und sendet in einem solchen Fall über die Leitung 33 ein Signal an den Mikrocomputer 24. Der Mikrocomputer 24 sendet darauf über die Leitung 23 ein Signal, um den Ladevorgang zu stoppen.
• Um es dem Mikrocomputer 24 zu ermöglichen, die Ladefolge zu überwachen, um die Wendepunkte in der Ladekurve von Fig. 1 zu bestimmen, ist es erforderlich, das analoge Batteriespannungssignal in ein digitales Signal umzuwandeln. Daher ist ein Analog-Digital-Wandler 28 einbezogen. Der Analog-Digital-Wandler 28 nimmt die analoge Batteriespannung auf der Leitung 39 auf und erzeugt auf der Leitung 37 ein digitales Signal, das der Mikrocomputer 24 nutzt, um den Batteriespannungswert zu bestimmen. Wenn es gewünscht wird, kann das digitale Signal in Form eines Zeitsteuerungssignals vorhanden sein, in dem Taktimpulse erzeugt und gezählt werden, um digitale "Zählwerte" zu erzeugen, welche die Spannung darstellen.
• Die Wendepunkte in der Ladekurve werden durch das Überwachen der Neigung der Kurve (die erste Ableitung oder die Zeitspanne der Veränderung der Kurve) bestimmt, um zu erfassen, wann die Neigung einen Minimalwert oder einen Maximalwert erreicht, d. h. wann die Veränderungsrate in der Neigung sich von einem negativen Wert zu einem positiven Wert oder von einem positiven Wert zu einem negativen Wert verändert. In der Praxis erfolgt das durch Feststellen der Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Spannungsablesungen und durch Bestimmen, wann die Differenz einen Minimalwert oder einen Maximalwert erreicht.
• Bezug nehmend auf Fig. 1, ist zu sehen, daß die Spannungsableitungskurve dV/dt sich an dem zweiten Wendepunkt B von ansteigend zu abfallend verändert. Daher durchläuft, wenn der Batterieladebetrieb beginnt, wenn die Batteriespannung sich im Bereich I befindet, die Batteriespannung beide Wendepunkte A und B. Andererseits wird, wenn die Batterie bereits teilweise geladen ist, so daß das Laden der Batterie im Bereich III beginnt, der Wendepunkt A niemals erreicht. In jedem Falle könnte jedoch bewirkt werden, daß der Batterieladebetrieb nach dem Erfassen des Wendepunktes B beendet wird, da dieser den vollständig geladenen Zustand darstellt. Es ist zu bemerken, daß die Batteriespannung kurz nach dem Erreichen des tatsächlichen Lade-Beendigungspunktes C abzufallen beginnt oder abfällt. Dieser Bereich sollte daher vermieden werden, da er der Bereich ist, in dem Übertemperatur- und Hochdruckzustände beginnen, sich deutlich auszuprägen.
• Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, ein Ladebeendigungssystem auf der Basis einen flachen Neigung oder einer negativen Neigung zuverlässig auszuführen. Das Flachneigungs-oder Minusneigungssystem, das als "Neigungserfassung" bezeichnet wird, kann in Verbindung mit der Saar-Doppelwendepunktanalyse oder als eine Alternative dazu verwendet werden. Es hat sich herausgestellt, daß die Neigungserfassungstechnologie besonders gut bei Metall-Nickel-Hybridbatterien funktioniert.
• Im wesentlichen ist es so, daß die Neigungserfassungstechnologie auf den Punkt auf der Spannung-Zeit-Kurve achtet, an dem die Neigung zu Null (flache Neigung) geht oder negativ wird. Bezug nehmend auf Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Neigung dV/dt an der Spannungsspitze zu Null geht, die im allgemeinen durch das Bezugszeichen P bezeichnet ist. Es ist zu bemerken, daß der Punkt P dem Punkt C nahe ist, jedoch nicht notwendigerweise mit ihm zusammenfällt. Es ist daran zu erinnern, daß der Punkt C der Punkt ist, an dem die Saar-Doppelwendepunktanalyse den Ladestrom tatsächlich beendet. In der Praxis hängt der präzise Saar-Beendigungspunkt C von der Reaktionszeit des Systems und vom Grad der verwendeten digitalen Filterung ab. Mit anderen Worten, der Punkt C tritt manchmal etwas nach dem Auftreten des Wendepunktes B auf und das System hat Zeit gehabt, um auf sein Auftreten zu reagieren. Daher können in der tatsächlichen Praxis der Punkt P, der durch die Flachneigungs- oder Nullneigungstechnologie erfaßt wird, und der Punkt P, der in der Saar-Technologie verwendet wird, tatsächlich zusammenfallen oder einer der Punkte kann geringfügig vor dem anderen auftreten. Daher kann der Flachneigungs- oder Minusneigungs-Erfassungsmechanismus als ein gutes Sicherungssystem für den Fall dienen, daß das Saar-System für eine gegebene Batterie nicht schnell genug reagiert.
• Eine Schwierigkeit bei der Flachneigungstechnologie oder der Technologie der abfallenden Neigung, liegt im flachen Bereich der Kurve, der in Fig. 1 allgemein mit 11 bezeichnet ist. Metall-Nickel-Hybridbatterien sind gegenüber der Schwierigkeit in diesem Gebiet weniger anfällig, weil die Spannung-Zeit-Kurve solcher Batterien steiler ansteigt, als die Kurve der dargestellten Nickel-Kadmium-Batterie. Während tatsächlich die Neigung der Spannung-Zeit-Kurve in dem Bereich 11 ansteigt, wie es aus der positiven ersten Ableitung dV/dt deutlich wird, steigt die Spannung nicht sehr schnell. Daher ist es möglich, daß unerwünschte Rauschschwankungen einen falschen Triggerimpuls in diesem Gebiet erzeugen. In Figur T ist zu bemerken, daß eine geringfügige Störung vorhanden ist, die allgemein mit X bezeichnet ist, und die auf den Typ der auftretenden Rauschschwankungen hinweisen kann. Wenn eine dieser Störungen als eine Nullneigung oder als eine fallende Neigung auftritt (dV/dt = O), würde die Flachneigungsbeendigungstechnologie oder die Technologie der abfallenden Neigung eine vorzeitige Beendigung des Batterieladestromes bewirken.
• Um dieses Problem zu bekämpfen, verwendet die vorliegende Erfindung eine Abfragerate-Modulationstechnologie oder eine Neigungserfassungs-Unwirksamkeitsmachungs-Technologie, die beide sichern, daß die im flachen Abschnitt der Kurve vorgenommenen Ablesungen keine falsche Triggerung hervorrufen. Diese Technologien können auf verschiedenen Wegen ausgeführt werden. Mehrere dieser Wege werden hierin erläutert.
• Eine Technologie für das Erzeugen der Abfrageratenmodulation ist, die Modulation digital durch Stapelmanipulation durchzuführen. Die Stapelmanipulationstechnologie zieht ihren Nutzen aus der Tatsache, daß die heutigen Ladebeendigungsprogramme für das Ausführen der Saar-Technologie eine stapelförmige Datenstruktur für das Speichern, die Mittelwertbildung und für das Verarbeiten der digital abgefragten Spannungsablesungen verwenden. Bezug nehmend auf Fig. 3A bis 3C (gemeinsam als Fig. 3 bezeichnet) ist die stapelförmige Datenstruktur mit 100 bezeichnet. Die derzeitig bevorzugte Ausführung verwendet eine Datenstruktur, die in der Lage ist, acht digitale Werte zu speichern, die von einem Analog-Digital-Wandler 28 geliefert werden. Bei jeder Abfrage durch den Analog-Digital-Wandler wird der entsprechende Digitalwert auf den Stapel 100 gebracht. so daß er den Platz AD&sub0; belegt. Durch diesen Vorgang wird der vorher vorhandene AD&sub0; nach unten auf den Platz AD&sub1; gebracht. AD&sub1; wird nach unten auf AD&sub2; gebracht usw. Am entgegengesetzten Ende der Datenstruktur wird der Endwert AD&sub7; einfach gelöscht, wie es schematisch durch den Bitkorb 102 dargestellt ist. Diese Datenstruktur wird bei der Ausführung der Saar-Technologie verwendet. Dieselbe Datenstruktur kann auch verwendet werden, um die Flachneigung- oder die Negativneigung- Erfassungstechnologie auszuführen. In dieser Hinsicht leiten sowohl die Saar-Technologie als auch die Neigungserfassungstechnologie Werte ab, welche die Neigung der Spannung-Zeit-Kurve wiedergeben.
• In der Erläuterung wird nun Bezug auf Fig. 3A genommen, welche darstellt, wie alle acht auf dem Stapel 100 gestapelten Werte verarbeitet und verwendet werden können, um eine Neigungsablesung zu erzeugen. Wie schematisch dargestellt, werden die neuesten vier Werte auf dem Stapel miteinander addiert; gleichermaßen werden die ältesten vier Werte miteinander addiert. Die sich ergebenden Summen M bzw. N werden subtrahiert, um einen Wert N - M zu ergeben, der die Neigung anzeigt. In dieser Hinsicht ist die Neigung als die Zeitspanne der Spannungsveränderung (dV/dt) zu verstehen. Da die Abfragerate bekannt und im vorliegenden Fall konstant ist, gibt die sich ergebende N - M-Differenz die Neigung an.
• Die Neigungserfassungs-Beedingungstechnologie überwacht den Neigungswert N - M. Wenn dieser Wert Null wird oder ins Negative geht, wird die Beendigung des Ladestromes ausgelöst.
• Das Basieren der Neigungserfassungstechnologie auf der kumulativen Wirkung von acht Abfragen kann in der Praxis nicht schnell genug sein, um ein Überladen zu verhindern. Die derzeitig bevorzugte Ausführung fragt die Spannung alle 16 Sekunden ab. Somit eilt durch das Subtrahieren von Gruppen von vier Zahlen das Erfassungsschema um 4 · 16 oder 64 Sekunden nach. Diese Zeitverzögerung kann zu groß sein, um ein Überladen zu verhindern.
• Fig. 3B zeigt eine Stapelmanipulationstechnologie, durch welche diese Zeitverzögerung von 64 Sekunden auf die Hälfte reduziert werden kann. In Fig. 3B werden Paare von Digitalwerten miteinander addiert und dann subtrahiert, wie es dargestellt ist. In Fig. 3B werden die Werte AD&sub0; und AD&sub1; miteinander addiert, um einen Zwischenwert M zu ergeben und die Werte AD&sub2; und AD&sub3; werden miteinander addiert, um einen Zwischenwert N zu ergeben. Die Zwischenwerte werden, wie vorher, subtrahiert, um auf eine Neigungsablesung zu kommen. Da Gruppen von zwei Ablesungen anstelle von Gruppen von vier Ablesungen verwendet werden, wird die Zeitverzögerung auf 2 · 16 oder 32 Sekunden verringert.
• Für eine sogar noch schnellere Reaktionszeit, zeigt Fig. 3 zwei Einzelablesungen AB&sub0; und AD&sub1;, die direkt verwendet werden, um die Neigungsablesung zu erzeugen. In diesem Fall betragen die Neigungswertverzögerungen nur 16 Sekunden, da die einzelnen Ablesungen direkt verwendet werden.
• Unter Berücksichtigung der vorhergehenden Ausführungen ist nun besser zu erkennen, wie eine fehlerhafte Spannungsablesung eine falsche Beendigung hervorrufen kann. Wenn die in Fig. 3A dargestellte Signalverarbeitung verwendet wird, hat eine einzige fehlerhaft niedrige Ablesung keinen Einfluß auf das Ergebnis. Das ist deswegen so, weil die Einzelablesung mit drei oder vier anderen Ablesungen, die alle zu unterschiedlichen Zeiten erfolgten, tatsächlich in die Durchschnittswertbildung einbezogen ist. Daher macht die Wirkung der Durchschnittswertbildung der Verarbeitung, die in Fig. 3A dargestellt ist, es unwahrscheinlich, daß eine falsche Beendigung auftreten wird.
• Im Gegensatz dazu steht die Verarbeitung, die in Fig. 3C dargestellt ist. Hier werden zwei Einzelablesungen verwendet, um den Neigungswert zu erzeugen. Eine fehlerhafte Ablesung kann daher eine falsche Anzeige erzeugen, daß die Neigung zu Null gegangen oder negativ geworden ist.
• Die vorliegende Erfindung moduliert automatisch die effektive Abfragerate, um eine schnelle Reaktionszeit zu erzeugen, wenn das Signal-/Rausch-Verhältnis hoch ist und um für örtliche Spannungsstörungen Durchschnittswerte zu erhalten oder um sie zu ignorieren, wenn das Signal-/Rausch-Verhältnis niedrig ist. Eine Ausführung, um das zu erreichen, ist in Fig. 4 dargestellt. In Fig. 4 wird in Schritt 150 eine Prüfung durchgeführt, ob die Ladeeinrichtung im flachen Abschnitt der Spannung-Zeit-Kurve arbeitet, der durch den Bereich 11 in Fig. 1 dargestellt wird. Wenn das der Fall ist, wird in Schritt 152 die effektive Abfragerate moduliert, um die in hohem Maße der Durchschnittswertbildung unterliegende, verhältnismäßig langsam reagierende Abfragetechnologie von Fig. 3A zu verwenden. Andererseits, wenn die Ladeeinrichtung nicht in dem flachen Gebiet der Kurve arbeitet, geht die Steuerung zu Schritt 154 über, in dem ein schnelleres Agieren und eine in geringerem Maße der Durchschnittswertbildung unterliegende Technologie zur Anwendung kommt, wie zum Beispiel die Technologie von Fig. 3C (oder wahlweise die Technologie von Fig. 3B).
• Als nächstes werden in den Schritten 156 und 158 zwei aufeinanderfolgende Ablesungen M und N durchgeführt. Dann wird in Schritt 160, wenn N - M kleiner oder gleich Null ist, in Schritt 162 das Laden beendet. Ansonsten kehrt die Steuerung zu Schritt 150 zurück, wie es dargestellt ist. Es gibt mehrere Wege, um zu bestimmen, ob die Batterieladeeinrichtung in dem flachen Abschnitt der Kurve arbeitet. Ein Weg ist die Überwachung der Einzelablesungen der Spannung. Wenn die Einzelablesungen sich unterhalb eines Schwellenwertes befinden, kann angenommen werden, daß die Ladeeinrichtung in dem flachen Abschnitt der Kurve arbeitet. Eine andere Technologie ist, einfach die abgelaufene Zeit zu messen, in welcher die Batterieladeeinrichtung in Betrieb war. In den meisten Fällen ist die Batterieladekurve so ausreichend stabil, daß angenommen werden kann, daß die Ladeeinrichtung nach einer abgelaufenen Zeit von etwa 15% des vollständigen Ladezyklus in dem flachen Abschnitt der Kurve arbeitet.
• Eine andere Ausführung der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Wie daraus ersichtlich ist, wird bei dieser Ausführung die Neigungserfassungstechnologie unwirksam gemacht, wenn die Ladeeinrichtung in dem flachen Abschnitt der Kurve arbeitet. Bezug nehmend auf Fig. 5 werden in den Schritten 200 und 202 Analog- /Digital-Ablesungen verwendet, um aufeinanderfolgende Ablesungen N und M zu erhalten, die jede die Batteriespannung an verschiedenen Punkten entlang der Spannung-Zeit-Kurve wiedergeben. Als nächstes werden in Schritt 204 diese Werte verglichen, zum Beispiel durch Subtrahieren N - M, um zu bestimmen, ob die Neigung der Kurve zu Null (flach) oder ins Negative gegangen ist. Wenn nicht, kehrt das Programm einfach zu Schritt 200 zurück, wo der vorher angeführte Prozeß wiederholt wird. Andererseits geht, wenn die Neigung zu Null oder ins Negative gegangen ist, die Steuerung zu Schritt 206 über, in dem eine Bestimmung erfolgt, ob die Ladeeinrichtung gegenwärtig in dem flachen Abschnitt der Kurve betrieben wird. Das kann unter Verwendung irgendeiner der Technologien erfolgen, die vorher im Zusammenhang mit Fig. 4 beschrieben sind. Wenn die Ladeeinrichtung in dem flachen Abschnitt der Kurve betrieben wird, kehrt die Steuerung einfach zum Schritt 200 zurück, wo die vorher angeführten Schritte erneut wiederholt werden. Mit anderen Worten, in dem flachen Abschnitt der Kurve wird eine negative Neigung oder eine Nullneigung einfach ignoriert. Andererseits geht, wenn im Schritt 206 die Ladeeinrichtung nicht in dem flachen Abschnitt der Kurve betrieben wird, die Steuerung zum Schritt 207 über, in dem ein Kennzeichen geprüft wird, um zu bestimmen, ob die Neigung vorher abfallend war. Wenn das der Fall ist, wird im Schritt 208 das Laden beendet. Wenn das nicht der Fall ist, wird der Schritt 209 durchgeführt, um das Kennzeichen zu setzen, so daß die nächste flache Neigung oder ein abfallender Neigungszustand ein Beenden des Ladens bewirken. Somit stellt das Programm von Fig. 4 ein zusätzliches Filtern durch Anfordern von zwei Erfassungen einer flachen Neigung oder einer abfallenden Neigung zur Verfügung, bevor das Beenden der Ladung ausgelöst wird. Natürlich kann diese Filtertechnologie erweitert werden, um mehr als zwei Neigungserfassungen erforderlich zu machen, wenn es gewünscht ist. Diese Filtertechnologie kann auch in den anderen vorher beschriebenen Ausführungen verwendet werden.
• Wenn man überlegt, ist zu erkennen, daß ein Bewirken, daß das Ergebnis von Schritt 204 in Schritt 206 ignoriert wird, den Effekt der Verringerung der Abfragerate auf einen Zeitraum hat, der länger ist, als der Zeitraum von Bereich 11 (Fig. 1) der Kurve. Anders ausgedrückt, die Ergebnisse der Daten, die während des Bereiches 11 der Kurve erhalten werden, können wirksam ignoriert werden, wenn die Abfragerate so ausgedehnt wird, daß in dem Zeitraum des Bereiches 11 keine Abfragen erzeugt werden.
• Die vorher beschriebenen Technologien für das Modulieren der Abfragerate, um die Einflüsse des Rauschens in dem flachen Abschnitt der Kurve zu blockieren, sind statische Technologien, weil eine vorgegebene Abfragerate-Modulationstechnologie automatisch dann verwendet wird, wenn das flache Gebiet der Kurve erreicht ist. Wenn es gewünscht wird, kann die Modulationstechnologie auch dynamisch verwendet werden, wobei der Grad der Abfrageratenmodulierung aktiv auf der Basis des erfaßten Signal- Rausch-Verhältnisses gewählt wird. Eine Ausführung einer solchen dynamischen Technologie ist in Fig. 6 dargestellt. In Fig. 6 wird in den Schritten 250, 252 und 254 die Neigung der Batteriespannung mit verschiedenen vorgegebenen Pegeln verglichen. Auf der Basis dieses Vergleiches wird in den Schritten 256, 258 bzw. 260 die passende Abfragerate gewählt. Diese verschiedenen Abfrageraten könnten unter Verwendung der Stapelmanipulationstechnologien erzielt werden, die in den Fig. 3A bis 3C dargestellt sind. So könnte zum Beispiel für geringe Neigungen die Technologie von Fig. 3A für eine Abfragerate #1 verwendet werden. Für mittlere Neigungen könnte die Abfrageratetechnologie von Fig. 3B für die Abfragerate #2 verwendet werden. Für größere Neigungen könnte die Abfragetechnologie von Fig. 3C für die Abfragerate #3 verwendet werden.
• Nachdem die passende Abfragerate gewählt ist, werden in den Schritten 262 und 264 die entsprechenden Ablesungen vorgenommen, um die Werte M und N zu erhalten. Unter Verwendung der stapelförmigen Datenstruktur, die in den Fig. 3A bis 3C dargestellt ist, können diese N- und M-Werte einfach durch Wahl der entsprechenden Zahlen aus dem Stapel erhalten werden. Nachdem sie erhalten worden sind, werden in dem Schritt 266 die M- und N-Werte verglichen, worauf in dem Schritt 268 die Ladebeendigung ausgelöst wird, wenn die Neigung (N - M) null oder negativ ist. Ansonsten kehrt die Steuerung zu dem Startpunkt zurück, wo der vorher beschriebene Ablauf wiederholt wird.
• Die Ausführung von Fig. 6 wählt somit auf der Basis der tatsächlich gemessenen Bedingungen dynamisch die entsprechende Abfragerate. Während in den Schritten 250, 252 und 254 eine einfache Neigungsmessung verwendet wurde, können auch aridere geeignete Technologien verwendet werden.
• Aus den vorhergehenden Ausführungen ist zu erkennen, daß die vorliegende Erfindung einen Mechanismus zur Verfügung stellt, um die Anwendung von Neigungsdetektierungstechnologien zu gestatten, entweder einzeln oder in Verbindung mit anderen Technologien, wie zum Beispiel der Saar-Technologie. Die Erfindung löst das Problem der Falschauslösung infolge von Rauschen in den flachen Bereichen der Spannung-Zeit-Kurve. Daher ist die Erfindung am vorteilhaftesten, wenn sie mit Batterien, wie zum Beispiel Nickel-Kadmium-Batterien angewendet wird, welche Abschnitte mit relativ flacher Neigung aufweisen.
• Wenn auch die Erfindung in Verbindung mit der gegenwärtig bevorzugten Ausführung beschrieben wurde, ist es so zu verstehen, daß bestimmte Modifikationen hinsichtlich der dargestellten Ausführung erfolgen können, ohne von den Ausführungen, wie sie in den beigefügten Ansprüchen enthalten sind, abzuweichen.

Claims (7)

1. Verfahren zum Laden einer Batterie (22), aufweisend die Schritte:

Zuführen (18) von Ladestrom zur Batterie;

Überwachung der Batteriespannung während des Ladevorganges, um eine die Batteriespannung über der Zeit wiedergebende Ladekurve zu bestimmen, die eine erste Zeitspanne, während der die Rate der Zunahme der Batteriespannung verhältnismäßig gering ist, und eine zweite Zeitspanne enthält, während der die Rate der Zunahme der Batteriespannung verhältnismäßig groß ist;

Liefern eines Beendigungsschrittes (162; 208, 268) zur Beendigung der Zufuhr von Ladestrom, wenn die Neigung der die Batteriespannung über der Zeit wiedergebenden Ladekurve nicht positiv ist, dadurch gekennzeichnet,

dass der die Neigung erfassende Beendigungsschritt während der ersten Zeitspanne unwirksam gemacht ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Beendigungsschritt den Schritt des Messens der Neigung der die Batteriespannung über der Zeit wiedergebenden Ladekurve durch Erhalten von Batteriespannungsdaten mit einer ersten effektiven Abfragerate während der ersten Zeitspanne und mit einer zweiten effektiven Abfragerate während der zweiten Zeitspanne umfasst.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die zweite Abfragerate durch Speichern der Batteriespannungsdaten in einer Datenstruktur und wahlweises Bearbeiten der Daten in dieser Struktur gegenüber der ersten Abfragerate vergrößert ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Zeitspanne aufgrund der aufgenommenen Batteriespannungsdaten angepasst festgelegt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Zeitspanne aufgrund der aufgenommenen Batteriespannungsdaten angepasst festgelegt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Schritten des Festlegens einer vorgegebenen Ladezeit, die ein Zeichen für die ungefähre Zeit ist, die zum vollständigen Laden einer vollständig entladenen Batterie erforderlich ist, und Bestimmen der ersten Zeitspanne als ein vorgegebener Prozentsatz der Ladezeit.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Prozentsatz in der Größenordnung von 15% (fünfzehn Prozent) liegt.