DE2948251A1 - Termination of nickel-cadmium battery charging process - by detecting terminal voltage peak which occurs when fully charged - Google Patents

Termination of nickel-cadmium battery charging process - by detecting terminal voltage peak which occurs when fully charged

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Ing.(grad.) Horst 8501 Roßtal Konrad
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HESSE, KURT, 8500 NUERNBERG, DE
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Neuhierl Hermann Dipl Chem Dr 8510 Fuerth
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    • H02J7/007182—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery voltage

Abstract

The application is principally to fast charging of nickel cadmium cells for model or toy power supplies. In particular it is useful for batteries with sintered electrodes. To determine the fully charged state, use is made of the voltage peak coincident with a state of full charge which is a characteristic of the cell. The cell voltage is continuously monitored, and the charge switched off when the peak is detected. In a practical design the voltage is converted into a voltage dependant frequency and applied in successive equal time intervals to an up-down counter. If at the end of such a cycle the count is greater than zero the battery is assumed to be charged and the charger switched off. This monitoring method overcomes the strong temperature dependence of the voltage peak.

Description

LADEGERÄT FÜR NC-ZELLENCHARGER FOR NC CELLS

Die Erfindung betrifft ein Ladegerät für NC-Zellen mit ilutomatischer Abschaltung.The invention relates to a charger for NC cells with ilutomatic Shutdown.

Nickel-Cadmium-Akkumulatoren eignen sich für den Einsatz in der Modelltechnik besonders gut. Sie besitzen ein gutes Leistungs-Gewichtsverhältnis und sind in letzter Zeit auch preislich interessant. Speziell für die Modelltechnik haben i(li NC-Zellen mit Sinterelektroden durchgesetzt. Diese besitz eine besonders große Elektrodenoberfläche und sind dadurch sowohl für hohe Ladeströme als auch für hohe Entladeströme gut geeignet. Das heißt, die Zellen können binnen sehr kurzer Zeit (ca. 30 Minuten) vollgeladen werden. Allerdings wirft diese Schnelladung einige Probleme auf. Es muß darauf geaclitet werden, daß weder der Ladestrom noch die Lademenge über schritten wird. Das zweite ist besonders bei teilentladenen Zellen nicht ohne weiteres zu gewährleisten.Nickel-cadmium batteries are suitable for use in model technology especially good. They have a good power-to-weight ratio and are last Time also interesting in terms of price. I (li NC cells enforced with sintered electrodes. This has a particularly large electrode surface and are therefore good for both high charging currents and high discharge currents suitable. This means that the cells can within a very short time (approx. 30 minutes) be fully charged. However, this rapid charge poses a number of problems. It must be agreed that neither the charging current nor the amount of charge exceeded will. The second is not easy to do, especially with partially discharged cells guarantee.

Eine besondere Gefahr stellt bei herkömmlicher Ladung mit Widerstandskabel das Abfallen der Zellenspannung am Ende der Ladezeit dar. Die Erniedrigung des Innenwiderstandes der Zeilen führt zu einem höheren Ladestrom, wobei sich die Zelle immer mehr erwärmt. Dies führt schließlich zur Zerstörung der Zellen, da der Elektrolyt zersetzt wird. Die elektrolytische Zersetzung kann zur Explosion der Zellen führen, wenn nicht ein Sicherheitsventil eingebaut wird. Beim Vorhandensein eines Sicherheitsverltils erfolgt der Austritt des Elektrolyts und gasförmiger Zersetzungsprodukte. So wird die Kapazität der Zellen immer mehr herabgesetzt, was schließlich zur Unbrauchbarkeit derselben führt.Conventional charging with resistance cables poses a particular risk the drop in cell voltage at the end of the charging time. The lowering of the internal resistance of the rows leads to a higher charging current, with the cell heating up more and more. This ultimately leads to the destruction of the cells as the electrolyte is broken down. The electrolytic decomposition can cause the cells to explode, if not a safety valve is installed. In the presence of a security breach the electrolyte and gaseous decomposition products are released. So will the capacity of the cells decreased more and more, which ultimately led to uselessness same leads.

Der Erfinder hat sich die Aufgabe gestellt, ein Gerbt zu schaffen, das den Ladevorgang abschaltet, wenn die der Kapazität der Zellen entsprechende Energie aufgenommen ist.The inventor set himself the task of creating a tanning that switches off the charging process when the capacity of the cells corresponds Energy is absorbed.

So ist es möglich, die Zellen auch für Spielzeuge zu verwenden.So it is possible to use the cells for toys.

Messungen haben gezeigt, daß alle NC-Akkus mit Sinterelektroden bei der Schnelladung ein ganz bestimmtes Ladeverhalten aufweisen.Measurements have shown that all NC batteries with sintered electrodes have a very specific charging behavior during fast charging.

Bei völlig entladenen Zellen, besonders wenn sie längere Zeit entladen aufbewahrt wurden, steigt die Zellenspannung bei Beginn der Schnelladung steil an, um danach wieder abzusacken.In the case of completely discharged cells, especially if they have been discharged for a long time have been stored, the cell voltage rises steeply at the start of rapid charging, to then slump again.

Nach ca. 3 Minuten hat sich dann die Zellen spannung eingependelt.After about 3 minutes, the cell voltage has leveled off.

Es kommt jedoch während der Ladephase immer wieder vor, daß die Zellen spannung für einige Sekunden einsackt. Kurz vor Ladeende beginnt die Zellenspannung stärker anzusteigen, erreicht bei vollständiger Ladung ein relativ flaches Maximum, um dann durch die im Zelleninneren entstehende Verlustwärme wieder abzufallen.However, it happens again and again during the loading phase that the cells voltage sinks for a few seconds. The cell voltage begins shortly before the end of charging increase more rapidly, reaches a relatively flat maximum when fully charged, in order to then fall off again due to the heat loss inside the cell.

Dieses Spannungsmaximum hat nun die Eigenschaft, sehr stark von der Zellentemperatur abhängig zu sein, welche wiederum von der Umgebungstemperatur beeinflußt wird. Deshalb ist es wenig sinnvoll, die Zellen spannung als Kriterium für die Volladung herzunehmen.This voltage maximum now has the property of being very different from the Cell temperature to be dependent, which in turn is influenced by the ambient temperature will. Therefore it makes little sense to use the cell voltage as a criterion for full charge to use.

Im Rahmen der Erfindung wird der Spannungsknick am Ende der Ladezeit ausgewertet. Dies ist schaltungstechnisch mit einigem Aufwand verbunden. Ferner ist zu beachten, daß die Spannungseinbrüche am Anfang und während der Ladung nicht fälschlich als Ende des Ladevorganges ausgewertet werden. Aus diesem Grunde scheidet eine analog arbeitende Erkennungsschaltung mit Differentiator großer Zeitkonstante aus, obwohl dies sicher die preiswerteste I,osung wäre. Es ergibt sich die Notwendigkeit, ein digitales Steuernetzwerk zu erstellen.In the context of the invention, the voltage break is at the end of the charging time evaluated. In terms of circuitry, this involves some effort. Further it should be noted that the voltage drops at the beginning and during the charge do not occur be incorrectly evaluated as the end of the loading process. For this reason divorces an analog recognition circuit with a differentiator with a large time constant off, although this would certainly be the cheapest solution. The need arises create a digital control network.

Zu diesem Zweck wird eine der Zellen spannung proportionale Ivreqllenz erzeugt.For this purpose, a frequency proportional to the cell voltage is used generated.

Diese Frequenz wird so geteilt, daß, je nach L.adezustatld d Zellen, alle 1...3 Minuten ein Impuls am Ausgang des Tellers ansteht Die Impulse triggern ein Schaltwerk, das kurz nacheinander zwei gleichlange Torzeiten abgibt. Während der zweiten Torzeit wird die Frequenz vom U/f-Wandler in einen Vor- Rückwärtszähler eingegeben. Dieser beginnt bei +1 rückwärts über Null zu zählen.This frequency is divided in such a way that, depending on the state of charge, the cells every 1 ... 3 minutes there is a pulse at the output of the plate. The pulses trigger a switchgear that gives two equally long gate times in quick succession. While the second gate time is the frequency of the U / f converter in an up-down counter entered. This starts counting backwards above zero at +1.

Während der ersten Torzeit des nächsten Impulses wird ebenfalls die Frequenz des U/f-Wandlers in den Zähler gegeben. Jetzt zählt der Zähler vorwärts. Wird dabei die Null erreicht bzw.During the first gate time of the next pulse, the Frequency of the U / f converter given in the counter. Now the counter counts up. If the zero is reached or

überschritten, dann ist die momentane Zellenspannung gleich oder größer der zuletzt gemessenen beim Impuls zuvor. Wird die Null jedoch nicht erreicht, so befindet sich die Spannung am Akku bereits im abfallenden Teil der Ladekennlinie, das heißt, der Akku ist voll und der Ladevorgang wird abgebrochen. Durch die zeitliche Abhängigkeit zwischen der Schaltwerksteuerung und der Zellenspannung wird erreicht, daß am Anfang des Ladevorgangs die Spannung an den Akkus weniger oft, gegen Ladeende jedoch häufiger abgegriffen und überprüft bzw. verglichen wird Damit wird erreicht, daß die Spannungseinbrüche am Anfang des Lidezyklus nicht zur fehlerhaften Beendigung des Ladevorgangs fiihrt; zusätzlich wird durch das öftere Abfragen am Ende ein unzulässiges Überladen der Zellen vermieden. Die Auflösung der Überprüfungslogik beträgt 12 Bit.exceeded, then the current cell voltage is equal to or greater the last measured at the previous impulse. However, if zero is not reached, then if the voltage on the battery is already in the falling part of the charging curve, that is, the battery is full and the charging process is aborted. Through the temporal Dependency between the switchgear control and the cell voltage is achieved, that at the beginning of the charging process the voltage on the batteries less often, towards the end of charging however, it is tapped and checked or compared more frequently. that the voltage drops at the beginning of the lid cycle do not lead to an incorrect termination the charging process leads; in addition, the frequent queries at the end result in an inadmissible Avoid overcharging the cells. The resolution of the checking logic is 12 bits.

Der Ladestrom richtet sich nach der Kapazität der zu ladenden Zellen. Er sollte 20 x I10 betragen. I10 ist Kapazität geteilt durch 10 Stunden.The charging current depends on the capacity of the cells to be charged. It should be 20 x I10. I10 is capacity divided by 10 hours.

Beispiel: Kapazität 1,8 Ah I10 = 1,8 Ah = 0,18 A 10 h 20 x 110 3,6 A In einem Schaltstromregler wird die eingangsseitige Gleichspannung zerhackt. Damit kann mit einem hohen Wirkungsgrad der Konstantstrom zur Ladung der NC-Akkus erzeugt werden. Der Schaltstromregler besitzt einen Steuereingang, mittels dem der Ausgangsstrom durch einen Impuls von der Ladekontrollogik abgeschaltet werden kann. Es ist eine weitere Logik vorhanden, die überwacht, ob Akkus angeschlossen sind. Nur dann läßt sich der Ladevorgang einleiten, was durch ein optisches Signal angezeigt wird. Ebenso wird das Ladeende angezeigt.Example: Capacity 1.8 Ah I10 = 1.8 Ah = 0.18 A 10 h 20 x 110 3.6 A The DC voltage on the input side is chopped up in a switching current regulator. In order to can generate the constant current for charging the NC batteries with a high degree of efficiency will. The switching current regulator has a control input by means of which the output current can be switched off by a pulse from the charge control logic. It is one further logic is available that monitors whether batteries are connected. Only then lets initiate the charging process, which is indicated by an optical signal. as well the end of loading is displayed.

Die Abbildungen zeigen ein Ausführungsbeispiel: Figur I zeigt die Ladekurve.The figures show an embodiment: Figure I shows the Charging curve.

Figur II zeigt ein Ladegerät.Figure II shows a charger.

Figur III zeigt ein Ladegerät mit Akkumulator und NC-Zellen als Batterie.FIG. III shows a charger with an accumulator and NC cells as a battery.

Figur IV zeigt ein Ladegerät für einzelne NC-Zellen.FIG. IV shows a charger for individual NC cells.

Figur V zeigt das Schaltschema; Figur V a zeigt die Wandlerkennlinie.Figure V shows the circuit diagram; Figure V a shows the converter characteristic.

In Figur I wird die Zellenspannung über der Ladezeit gezeigt.In Figure I, the cell voltage is shown over the charging time.

Es ist erkennbar, daß eine Temperaturabhängigkeit vor] iehi und gegen Ende des Ladevorgangs ein Abfall der l.adespannullg eintritt.It can be seen that a temperature dependence before] iehi and against At the end of the charging process, the charging voltage drops.

Figuren II und III zeigen ein Ladegerät. Dieses wird an eine Stromquelle, beispielsweise Akkumulator eines Kraftfahrzeugs oder einen Transformator mit Gleichrichter, ausgangsseitig an einen Nickel- Kadmium-Akkumulator angeschlossen. Am Gerät kann die Zellenzahl und der Strom eingestellt werden.Figures II and III show a charger. This is connected to a power source For example, the battery of a motor vehicle or a transformer with a rectifier, Connected on the output side to a nickel-cadmium accumulator. On the device the number of cells and the current can be set.

Es wird angezeigt, ob der Ladevorgang in Gang oder beender ist.It is displayed whether the charging process is in progress or finished.

Figur IV zeigt ein Ladegerät für einzelne NC-Zellen. i?. ist auch die Verwendung von viereckigen Trägern zusammengefasster r NC-Zellen möglich.FIG. IV shows a charger for individual NC cells. i ?. is also the use of square carriers of combined r NC cells is possible.

Das Gerät ist sehr einfach aufgebaut und auch für den Gebrauch durch Kinder geeignet. Nach dem Einlegen der Zellen wird der Dreh knopf auf den durchzuführenden Ladevorgang gestellt und der Startknopf betätigt. Der Ladevorgang wird eingeleitet. Sobald die Zellen Ihre maximale Ladung augenommen haben, wird abgeschlatet. Handelt es sich bei den eingelegten Zellen um bereits geladene Akkus, so wird der Ladevorgang schon nach sehr kurzer Zeit beendet.The device is very simple and easy to use Suitable for children. After inserting the cells, turn the knob on the one to be carried out The charging process is set and the start button is pressed. The charging process is initiated. As soon as the cells have absorbed their maximum charge, it is switched off. Acts If the inserted cells are already charged batteries, the charging process is started ended after a very short time.

F'igur V zeigt das Schaltschema.Figure V shows the circuit diagram.

Schaltungsbeschreibung. Die von den NC- Zellen abgegriffene Spannung wird in IC1 integriert, invertiert und abgeschwächt.Circuit description. The voltage tapped from the NC cells is integrated, inverted and weakened in IC1.

Der so aufbereitete Analogwert wird in IC2 in eine Proportional-Frequenz umgewandelt. Die Wandlerkennlinie zeigt Fig. V a.The analog value prepared in this way is converted into a proportional frequency in IC2 converted. The converter characteristic is shown in Fig. V a.

I\lil steigender Zellenspannung steigt die Frequenz in etwa nach der Funktion f~eu Diese Frequenz wird in IC4 und IC5 soweit herabgeteilt, daß sich an deren Ausgang alle 1 bis 3 Minuten, je nach Ladezustand der Zellen, eine positive Impulsflanke einstellt. Diese Impulsflanke triggert über das Gatter N12, das Präzisionstnonoí'lot '6 und das Monoflop,bestehend aus den Gattern N10 und Nil, dessen Zeitkonstante größer ist als die von lC6. Während der Aktivzeit von Monoflop N10, N11 sind die Vor- Rückwärtszähler 1C7 1C9 auf Vorwärtszählbetrieb geschaltet. Demnach wird während der Aktivzeit von IC6 die Frequenz von IC2 in die Zähler vorwärts eingelesen. Nach Ablauf der Aktivzeit von IC6 werden die Zähler auf den Wert +1 gesetzt.If the cell voltage rises, the frequency rises approximately after the Function f ~ eu This frequency is divided down in IC4 and IC5 to such an extent that the output of which is positive every 1 to 3 minutes, depending on the state of charge of the cells Sets the pulse edge. This pulse edge triggers via the gate N12, the precision nonoí'lot '6 and the monoflop, consisting of the gates N10 and Nil, its time constant is greater than that of IC6. During the active time of Monoflop N10, N11 they are Up-down counter 1C7 1C9 switched to up-counting mode. Accordingly, during after the active time of IC6 reads the frequency of IC2 up into the counter. To When the active time of IC6 has expired, the counters are set to the value +1.

Anschließend wird über die Gatter N17, N16 und N12 IC6 erneut getriggert. Nun sind die Zähler jedoch auf Rückwärtszählbe rieb geschaltet und die von IC2 erzeugte Frequenz wird in den Zahler rückwärts eingezählt, wobei nach dem 1. Impuls die Null über schritten wird. Nach einer Pause von 1 bis 3 Minuten beginnt der Vorgang von vorne. Die beim Rückwärtszählen eingelesene npulsmenge wird beim Vorwärtszählen wieder aus dem Zähler gititt.Then the gates N17, N16 and N12 IC6 are triggered again. Now, however, the counters are switched to reverse counting mode and the one generated by IC2 Frequency is counted backwards into the counter, with zero after the 1st pulse is exceeded. After a pause of 1 to 3 minutes, the process starts from in front. The number of pulses read in when counting down is used when counting up gititt again from the counter.

Ist die Frequenz beim Vorwährtszählen größer oder gleis der Frequenz beim Rückwärtszählen, was einer größeren oder gleichgroßen Zellenspannung entspricht, so wird der Nullstand des Zählers überschritten, wodurch das Flip-flop N 19, N20 zurückgesetzt wird. Dieses Flip-flop wird zusammen mit IC6 gesetzt Isi die Zellenspannung aufgrund dessen, daß die Akkus vollgeladen sind, kleiner geworden, reicht dei Frequenz nicht mehr aus, um den Zählstand beim Vorwärtsbetrieb über Null zu zählen und das Flip-flop N19, N20 zurückzusetzen. Dadurch wird nach Ablauf der Aktivzeit von ICG das Flip-flop N14, N18 über N15 zurückgesetzt. Damit wird über das Gatter N1 der Schaltstromwandler abgeschaltet und über N3 erlischt die LED D15. Über N16 wird das Flip-flop N4, N7 zurückgesetzt und die LED D16 wird durch N5, N8 angesteuert. Diese LED zeigt das Ende des Ladevorgangs an. Da die Meßunsicherheit 1 Bit beträgt, und vermiedeit werden soll, daß dadurch der Ladevorgang vorzeitig unterbrochen wird, wird der Zähler vor Beginn der Rückwärtszählphase airf den Hysteresewert +1 gesetzt.Is the frequency higher or the same as the frequency when counting upwards? when counting down, which corresponds to a higher or equal cell voltage, so the zero level of the counter is exceeded, whereby the flip-flop N 19, N20 is reset. This flip-flop is set together with IC6 Isi the cell voltage due to the fact that the batteries are fully charged, have become smaller, the frequency is sufficient is no longer off to count the count above zero during forward operation and that Reset flip-flop N19, N20. After the active period of ICG the flip-flop N14, N18 reset via N15. This is via the gate N1 of the Switching current transformer is switched off and LED D15 goes out via N3. Via N16 the flip-flop N4, N7 is reset and the LED D16 is driven by N5, N8. This LED indicates the end of the charging process. Since the measurement uncertainty is 1 bit, and it should be avoided that the charging process is interrupted prematurely, the counter is set to the hysteresis value +1 before the start of the downward counting phase airf.

Am Eingang U--kontroll muß ein H-Signal liegen, welches das Kriterium dafür ist, daß die Akkus ordnungsgemäß kontaktier sind, um den Start des Ladevorgangs einleiten zu können. Dazu wird die Taste T gedrückt und über N12. D14 das Flip-flop N4/N7 gesetzt.There must be an H signal at the U - control input, which corresponds to the criterion It is essential that the batteries are properly contacted in order to start the charging process to be able to initiate. To do this, press the T key and press N12. D14 the flip-flop N4 / N7 set.

Gleichzeitig wird das Flip-flop N14, N18 gesetzt und damit der Schaltstromregler und die LED D 15 aktiviert. Über N9 werden die Zähler auf einen definierten Anfangszustand gesetzt.At the same time, the flip-flop N14, N18 is set and thus the switching current regulator and the LED D 15 is activated. The counters are set to a defined initial state via N9 set.

IC3 versorgt die Anordnung mit einer stabilen Versorgungsspannung.IC3 supplies the arrangement with a stable supply voltage.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE 1. Anordnung zur Erkennung des Ladezustandes von NC-Zellen während der Ladung dadurch gekennzeichnet, daß die Zellen spannung der Akkus während der Ladung fortwährend gemessen wird. PATENT CLAIMS 1. Arrangement for detecting the state of charge of NC cells during charging, characterized in that the cells voltage of the Battery is continuously measured while charging. 2. Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzei('iiiiet, laß das bei NC-Akkus mit Sinterelektroden, bei Schnelladung, bei Erreichen der Volladung entstehende Spannungsmaximul erkannt und ausgewertet wird. 2. Arrangement according to claim 1 characterized gekennzei ('iiiiet, leave that at NC accumulators with sintered electrodes, with quick charge, when reaching full charge Voltage maximum is recognized and evaluated. 3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet daß die iTberwachung der Ladespannung und die Auswertung des Spannungsmaximums mittels eines U/f-Wandlers digital erfolgt. 3. Arrangement according to claim 1 and 2, characterized in that the iTmonitoring of the charging voltage and the evaluation of the voltage maximum by means of a U / f converter takes place digitally. 4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Zellenspannung zyklisch abgefragt und ausgewertet wird, und daß die Abfragezyklen dem Ladezustand der Zellen angepaßt sind, d.h. , je stärker die Zellen geladen sind, desto häufiger wird abgefragt. 4. Arrangement according to claim 1 to 3, characterized in that the Cell voltage is queried and evaluated cyclically, and that the query cycles are adapted to the state of charge of the cells, i.e. the more the cells are charged, the more frequently it is queried. 5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß ein Start des Ladevorgangs nicht erfolgen kann, alls die NC-7,ellen nicht richtig kontaktiert sind und daß sowohl der Ladevorgang als auch dessen Ende angezeigt wird. 5. Arrangement according to claim 1 to 4, characterized in that a The loading process cannot start because the NC-7 is not properly contacted and that both the loading process and its end are displayed. 6. Anordnung nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß von ihr ein Schaltstromregler gesteuert wird, der den Konstantstrom zum Laden der NC-Akkus mit hohem Wirkungsgrad liefert.6. Arrangement according to claim 1 to 5, characterized in that of you a switching current regulator is controlled, the constant current for charging the NC batteries delivers with high efficiency. 7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß beim Vergleich zweier Meßwerte eine Hysterese eingebaut ist.7. Arrangement according to claim 1 to 6, characterized in that when Comparison of two measured values a hysteresis is built in.
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