SE465053B - Metod och anordning foer snabbladdning av ackumulatorbatterier - Google Patents

Description

465 D55 Det problem som ligger till grund för uppfinningen är att en användare måste ha tillgång till extra batterier för konti- nuerlig drift av ett batteriförsörjt system, om urladdnings- tiden är kortare än uppladdningstiden. En uppladdningstid på 14 h och en urladdningstid av 1 h kräver 14 st batterier för kontinuerlig drift av systemet.

Syftet med föreliggande uppfinning är därför att minska laddnigstiden så långt som möjligt med utnyttjande av de i Ni-Cd-cellen inneboende egenskaperna.

Problemet löses genom att man i ett första steg laddar ur batteriet till en spänning UB något större än en första referensspänning (U¿) varefter i ett första uppladdningssteg den tillförda laddningsströmmen I, styrs progressivt ökande enligt funktionen IB = k (UB-UG) där k är en avvägd konstant till att batteriets pol- spänning nått en andra referensspänning UB = ü där ü är maximal batterispänning, varvid man utnyttjar en specifik egenskap hos battericellen på så sätt, att ju större laddningsström som matas in i cellen, desto större laddningsverkningsgrad (effektivitet) erhållas, se diagram A i Fig 1. Laddningstiden förkortas, dels på grund av den högre laddningsströmmen, och dels pà grund av den högre verkningsgraden. Detta laddningsförfarande enligt uppfinn- ingen får dessutom den gynnsamma effekten, att vid förhöjd verkningsgrad mindre av den inmatade effekten omvandlas till värme, vilket verkar återhállande på temperaturökningen i cellerna.

Som framgår av diagram C i Fig 1 skall temperaturen i cellen hållas så låg som möjligt för bibehållen hög verkningsgrad. 465 053 Grundtanken bakom föreliggande uppfinning är att batteriets inneboende egenskaper utnyttjas aktivt så att högsta möjliga verkningsgrad för laddning erhålles, vilket minimerar ladd- ningstiden. Uppåt begränsas laddningsströmmen av fysikaliska och kemiska skäl, såsom strömtätheten på elektroderna och rekombination av syrgas vid kadmiumelektroden. Vid verifie- ring av metoden enligt uppfinningen har max. ström av ca 2,5 C A använts.

Laddningsmetoden enligt föreliggande uppfinning ger upphov till ett progressivt förlopp, eftersom laddningsströmmen ökar när den tillförda elektrokemiska laddningen ökar.

Strömökningen styrs av batteriets spänning, vilken enligt diagram A Fig l ökar med tillförd laddning.

Enligt uppfinningen används spänningsnivån hos batteriet som en grov indikering på full laddning och omvandlas till en signal som används för omkoppling till laddning med konstant spänning.

Eftersom fullständig effektivitet ej kan erhållas, sker därför alltid en viss uppvärmning av cellerna under uppladd- ning. Såsom framgår av diagram A, Fig 1 minskar kurvans spänningspuckel med ökade celltemperatur och med detta möjligheten att säkert detektera lämplig omkopplingsnivà (vid konstant laddningsström). En progressivt ökande ladd- ningsström förstärker spänningspuckeln, vilket således är gynnsamt.

Före laddningsstart tömmes batteriet och 'väljes en för- hållandevis låg startström (ca 0,5 * C A) för att undvika stress på cellerna.

Med hänvisning till bifogade ritning beskrivas i detalj en utföringsform av en batteriladdningskrets, vilken genomför laddningsförfarandet enligt föreliggande uppfinning. 465 053 I ritningen är fig 2 ett blockschema över en uppladdnings- krets enligt uppfinningen.

Fig 3 tidsdiagram över olika laddningsförlopp varav fig 3A visar laddning i rumstemperatur och fig 3B visar laddning vid -20°C.

Med hänvisning till fig 2 är ett Ni-Cd batteri med polspänn- ingen U¿ via en reglertransistor (20) och ett strömbegräns- ningsmotstànd (41), vilket även kan användas som integra- tionsmätmotstànd, anslutet till en likspänningskälla (4). En styrkrets är ansluten till reglertransistorns (20) bas och innehåller dels en förstärkare (200) och dels spännings- komparatorer (210) och (220). komparatorn (210) har pá den ena av ingàngarna maximal batterispänning ü som referens och pà den andra UB. Komparatorn (220) har pá en av ingángarna en startspänning Uo som referens och på den andra ingången U .

Nivàskiftsignalerna från komparatorerna (210) och (220) tillföres en kontrollenhet (3) vilken innehåller minnes- och tillföras batteriet under bestämda tidsintervall och upptagen energi tidgenereringskretsar sà att laddning kan mätas under' hela laddningsförloppet. För' bildande av' en reglerkrets för styrning av laddningsströmmen är styrkretsen (2) via en omkopplare ansluten till summationspunkter (22) och (23), varav summationspunkten (22) bildar Ufdg och (23) bildar ü-U¿ där ü och Uo är referensspänningar enligt ovan.

UB tillföres styrkretsen (2) och summationspunkterna (22), (23) via mätledningen för polspänning (112).

Med hänvisning till diagrammet i Fig 3 beskrivs uppladd- ningsförlopp, vilka erhålles med en anordning enligt ovan- stående.

Innan ett laddningsförlopp påbörjas, laddas batteriet ur för att korrekt referensläge för laddning skall kunna erhållas. aktiverar Urladdningen sker genom att kontrollkretsen 465 053 omkopplaren (21). Urladdningstiden bestäms genom att UB kompareras med UG.

Efter en tids reaktivering av battericellerna görs en ny komparering med UG i komparatorn (220) för att undersöka om startvillkoretIg>U¿ är uppfyllt.

Vid positivt startvillkor ställs omkopplaren (21) via kon- trollkretsen (3) i läge B vilket ger en laddningsström IB = k (UB-UG) I begynnelseögonblicket är IB liten, eftersom celltempera- turen är làg och därmed UB låg. Efterhand som batteriet tar laddning ökar batteripolspänningen U . Denna spänni: styr laddningsströmmen efter den linjära funktionen ovan, yilken ger en ökande spänning (positiv återkoppling,. Förloppet fortsätter tills attïg når referensspänningen ü. Komparatorn (210) ger härvid en nivåskiftslgnal till kontrollenheten (3), vilken 'växlar omkopplaren (21) till läge B. Denna första accelerade uppladdningsfas tar tiden T'.

Med omkopplaren (21) i läge B~erhàller en laddningsström IB som ger batterispänning Systemet är nu negativt återkopplat och polspänningen hàlles konstant. Efterhand som batteriets laddning ökar kommer laddningsströmmen att avklinga. Efter en totalladdningstid T'+T", att ett från början urladdat batteri erhållit full laddning slås laddningsströmmen fràn, alt. kopplas till underhållsladdning via ingången (203) på styrkontrollkretsen (2). Genom att mäta tillförd laddning med hjälp av i kontrolkretsen inbyggd integrator ökas preci- sionen i tidstyrningen och risken för överladdning elimin- som beräknats så, SITES . 465 053 Vid låga temperaturer ex - 20°C uppnås ü i första laddnings- fasen vilket förlänger laddningstiden. Genom att cykliskt upprepa förloppen med omkopplaren (21) i läge A under tiden T' och läge B under tiden T" med en paus T"', se fig 3B, erhålles effektivt laddning även. vid låga temperaturer.

Laddningsströmmen under tiden T'+T" integreras ett antal cykler tills fullt laddningstillstånd inträder. vw *x

Claims (5)

10 15 20 25 30 35 P A T E N T K R A V

1. Metod för snabbladdning av ackumulatorbatterier med slutna celler, varvid man genom tillförd laddningsström aktivt påverkar den enskilda battericellens laddningsverk- ningsgrad på så sätt att laddningstid och temperaturstegring hos cellen minimeras, k ä n n e t e c k n a d a v att man. i ett första steg laddar ur batteriet till en spänning UB något större än en första referensspänning (UC) varefter i ett första uppladdningssteg den tillförda ladd- ningsströmmen IB styrs progressivt ökande enligt funktionen IB = k där k är en avvägd konstant till att batteriets pol- spänning nått en andra referensspänning ua=ü där ü är maximal batterispänning.

2. Metod enligt krav 1 k ä n n e t e c k n a d a v; att i ett andra uppladdningssteg laddningsströmmen IB styrs genom spänningsåterkoppling så att UB = ü varvid storleken av den tillförda laddningsströmmen bestäms av battericellernas laddningstillstånd.

3. Metod enligt krav l-2, k ä n n e t e c k n a d a v, att tillförd laddning mäts och att första och andra uppladd- ningssteget följs av ett bestämt tidsintervall frikopplat utan laddningsström (ïæws) ingående i en laddningscykel och genomföres ett antal cykler tills fullt laddningstillstånd svarande mot en bestämd laddningsmängd uppnås. 465 053 10 15 20

4. Anordning för genomförande av metod att snabbladda ett ackumulatorbatteri (1) enligt krav 1-3 innefattande ett reglerorgan i serie med en likspänningskälla, k ä n n e t e c k n a d a v, en styrkrets (2) ansluten till reglerorganets (20) styr- elektrod varvid styrkretsen innhåller en reglerförstärkare (200) och spänningskomparatorer (210), (220) vilken styr- krets styr laddningströmmen som gensvar på signaler från summationskretsar (22), (23) vilka bildar resp. första och andra differensstyrspänningar (Ufák), (ü-UB) och UG är ü är referensspänningar svarande mot begynnelsespänning och slut- spänning hos batteriet och U¿ polspänningen hos batteriet tillförd via en mätledning för polspänning (112), nämnda komparator (210) ger niváskift och komparatorn (220) ger nivåskift vid spänningen ü för det andra uppladdningssteget.

5. Anordning enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a d a v, en kontrollenhet (3) innehållande minnes- och tidgenerer- ingsorgan vilka som gensvar på nivàskift hos komparatorerna (22), (23) startar uppladdning och växlar mellan första och andra uppladdningssteget genom aktivering av en omkopplare (21) för summeringskretsarna (22), (23).