DE3617589C1 - Method for controlling the charging process of an accumulator (a rechargeable battery) - Google Patents

Method for controlling the charging process of an accumulator (a rechargeable battery)

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Abstract

In order to determine the time for switching off the charging process of an accumulator, the subelements of the charge quantities which have been charged are assessed with a charging efficiency and the values obtained are added up until 100% of the capacity of the accumulator is reached. In order to correct the charging efficiency, the actual capacity of the accumulator is determined whenever the accumulator is discharged, the charging efficiency is varied by a small amount, and the influence of the variation on the determined capacity is found.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung des Lade­ vorganges eines Akkumulators unter Berücksichtigung von Ak­ kumulator- und Umgebungsparametern, bei dem die vom Akkumu­ lator aufgenommene und abgegebene Ladung festgestellt wird, und die eingeladene Ladungsmenge um einen Ladefaktor < 1 hö­ her eingestellt wird als die abgegebene Ladungsmenge.The invention relates to a method for controlling the drawer process of an accumulator taking into account Ak accumulator and environmental parameters, in which the accumulator charged and released cargo is determined, and the amount of charge loaded by a charge factor <1 height is set here as the amount of charge delivered.

Für die Ladung eines Akkumulators sind verschiedene Ladungs­ verfahren bekannt. Zum Beispiel ist ein Verfahren, bei dem die Ladung mit konstantem Strom und die Ladung mit konstanter Spannung nacheinander durchgeführt wird.There are different charges for charging an accumulator known procedure. For example, a procedure where the charge with constant current and the charge with constant voltage is carried out in succession.

Bei allen bekannten Ladeverfahren besteht das Problem der Abschaltung des Ladevorganges, wenn der Akkumulator vollge­ laden ist. Der Zustand der Volladung ist nicht meßbar, so daß verschiedene empirische Verfahren angewendet werden, um den Ladevorgang zu beenden.With all known charging methods there is the problem of Switching off the charging process when the accumulator is full loading is. The state of the full charge is not measurable, so that various empirical methods are used to to finish charging.

Ein bekanntes Verfahren besteht darin, die von dem Akkumula­ tor abgegebene Ladungsmenge festzustellen und eine entspre­ chende Ladungsmenge wieder in den Akkumulator einzuladen. A known method is that of the accumulator Determine the amount of charge delivered and a corresponding load the appropriate amount of charge back into the battery.  

Die eingeladene Ladungsmenge wird jedoch nur zu einem Teil zur chemischen Umwandlung in dem Akkumulator verwendet, durch die im Akkumulator wieder Ladung entnommen werden kann. Ein anderer Teil wird in Form von Ohmschen Verlusten in Wärme umgewandelt und ein weiterer Teil der eingeladenen Ladungsmenge verbraucht sich bei der Zersetzung von Wasser (bei einem Bleiakkumulator). Das Verhältnis der nutzbaren Ladungsmenge zur Verlustladungsmenge stellt den Wirkungs­ grad des Ladevorganges dar. Dieser liegt notwendigerweise unter 1. Diesem Umstand wird dadurch Rechnung getragen, daß die eingeladene Ladungsmenge um einen Ladefaktor, beispiels­ weise zwischen 1,1 und 1,4, höher dimensioniert wird als es der Nennkapazität des Akkumulators entspricht.However, the amount of cargo loaded is only a part used for chemical conversion in the accumulator, through the charge in the accumulator again can. Another part is in the form of ohmic losses converted into heat and another part of the invited Amount of charge is consumed in the decomposition of water (with a lead accumulator). The ratio of usable The amount of charge to the amount of lost charge represents the effect degree of the loading process. This is necessarily under 1. This fact is taken into account by the fact that the amount of charge loaded by a charge factor, for example between 1.1 and 1.4, is dimensioned higher than it corresponds to the nominal capacity of the accumulator.

Ein anderes Verfahren beruht darauf, daß bei der Ladung mit konstanter Spannung die Stromänderung in Abhängigkeit von der Zeit annähernd Null ist oder daß bei einer angenommenen Gasungsspannung des Akkumulators eine konstante Nachlade­ zeit vorgegeben wird, nach der dann die Abschaltung der La­ dung erfolgt.Another method is based on the fact that when loading with constant voltage the current change depending on the time is almost zero, or that with an assumed Gassing voltage of the accumulator a constant reload time is specified, after which the shutdown of the La is done.

Alle bekannten Abschaltkriterien werden so gewählt, daß mit Sicherheit eine Volladung des Akkumulators erreicht wird, da eine Teilladung schädliche Auswirkungen auf den Akkumula­ tor hat. Demzufolge werden die Akkumulatoren immer etwas überladen. Hierdurch kommt es zu Schädigungen der Platten durch übermäßiges Gasen, zu einem hohen Stromverbrauch und zu einem unnötig hohen Wasserverlust.All known switch-off criteria are selected so that with Safety, a full charge of the battery is reached, since a partial charge has a detrimental effect on the accumulator gate has. As a result, the accumulators always become something overloaded. This causes damage to the plates due to excessive gassing, high power consumption and to unnecessarily high water loss.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfah­ ren der eingangs erwähnten Art anzugeben, mit dem eine zu­ treffendere Abschaltung des Ladevorganges möglich ist und daher die Nachteile durch zu frühes oder zu spätes Abschal­ ten des Ladevorganges zumindest vermindert werden.The invention is therefore based on the object of a method ren of the type mentioned at the beginning, with which one more accurate shutdown of the charging process is possible and hence the disadvantages of early or late shuttering ten of the charging process are at least reduced.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Berücksichtigung des Ladefaktors während des Ladungsvorgan­ ges eingeladene Ladungsteilmengen mit einem Ladungswirkungs­ grad bewertet werden, der als variabel während unterschied­ licher Ladephasen vorausgesetzt wird, daß bei jeder Entla­ dung des Akkumulators die tatsächliche Kapazität des Akku­ mulators ermittelt wird und daß zur ständigen Anpassung des Ladungswirkungsgrads dieser variiert und der Einfluß der Variation auf die ermittelte Kapazität festgestellt wird.This object is achieved in that  Consideration of the loading factor during the loading process loaded partial loads with a charge effect degrees that are considered variable during difference Licher loading phases is assumed that with each discharge the actual capacity of the battery mulators is determined and that for constant adaptation of the Charge efficiency of this varies and the influence of Variation on the determined capacity is determined.

Erfindungsgemäß wird der Zeitpunkt des Abschaltens der La­ dung dadurch ermittelt, daß jede in den Akkumulator eingela­ dene Ladungsteilmenge mit einem von dem Ladezustand des Ak­ kumulators abhängigen Ladungswirkungsgrad multipliziert. Dieses Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß der Ladungs­ wirkungsgrad bei Akkumulatorspannungen weit unterhalb der Gasungsspannung sehr nahe bei 1 liegt, z. B. bei 0,98, wäh­ rend er oberhalb der Gasungsspannung weit niedriger ist, beispielsweise zwischen 0,6 und 0,7 liegt. Wenn jede einge­ ladene Ladungsteilmenge mit dem zutreffenden Ladungswirkungs­ grad multipliziert wird, kann die Ladung zum richtigen Zeit­ punkt abgeschaltet werden, wenn 100% der Kapazität des Akku­ mulators erreicht ist, also der Akkumulator gerade vollge­ laden ist.According to the time of switching off the La dung determined that each loaded in the accumulator dene partial charge with one of the state of charge of the Ak accumulator-dependent charge efficiency multiplied. This process is based on the knowledge that the cargo efficiency with accumulator voltages far below the Gassing voltage is very close to 1, e.g. B. at 0.98 rend is far lower above the gassing voltage, for example between 0.6 and 0.7. If everyone turned on partial charge with the relevant charge effect degrees multiplied, the cargo can be loaded at the right time point can be switched off when 100% of the capacity of the battery mulators is reached, so the accumulator just vollge loading is.

Der Verlauf des Ladungswirkungsgrades in Abhängigkeit vom Ladungszustand läßt sich qualitativ relativ gut vorhersagen. Nicht prognostizierbar ist jedoch der tatsächlich zutreffen­ de aktuelle quantitative Wert des Ladungswirkungsgrades, der sich in Abhängigkeit von Umgebungsparametern, Ladezyklen, Alter des Akkumulators usw. ändert. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht daher vor, den Ladungswirkungsgrad ständig um kleine Schritte zu variieren und den Einfluß der Varia­ tion auf die nach jedem Entladevorgang ermittelten Kapazi­ tät des Akkumulators festzustellen.The course of the charge efficiency depending on The state of charge can be predicted relatively well in terms of quality. However, it cannot actually be predicted de current quantitative value of the charge efficiency, the depending on environmental parameters, charging cycles, Age of the battery etc. changes. The invention The process therefore provides for the charge efficiency to be constant to vary small steps and the influence of the varia tion on the capacities determined after each unloading process determine the accumulator.

Stellt sich heraus, daß bei der Verminderung des Ladungs­ wirkungsgrades, also bei einer entsprechenden Erhöhung des Ladefaktors, die Kapazität des Akkumulators merkbar erhöht worden ist, wird im nächsten Schritt dieser Wert für den Ladungswirkungsgrad beibehalten. Eine weitere Reaktion des Akkumulators wird aufgrund einer erneuten Kapazitätsüberprü­ fung abgewartet. In Abhängigkeit von dieser Reaktion wird der Ladungswirkungsgrad entweder wiederum beibehalten oder um einen gegenüber der ursprünglichen Verminderung geringe­ ren Schritt wieder erhöht, also der Ladefaktor entsprechend verringert. Anschließend kann dann die Variation des Ladungs­ wirkungsgrades durch die Verminderung des Ladungswirkungs­ grades wieder initialisiert werden. Auf diese Weise variiert der Ladungswirkungsgrad immer mit sehr geringen Abweichungen um den aktuell zutreffenden Wert des Akkumulators. Die mit zunehmendem Alter des Akkumulators eintretende Abnahme des Ladewirkungsgrades wird automatisch aufgrund der jeweils beobachteten Reaktion des Akkumulators berücksichtigt.It turns out that when the charge is reduced  efficiency, ie with a corresponding increase in Charge factor, the capacity of the battery increases noticeably the next step, this value for the Maintain charge efficiency. Another reaction from Accumulator is due to a renewed capacity check waited. Depending on this reaction will the charge efficiency is either maintained or by a small amount compared to the original reduction Ren step increased again, so the loading factor accordingly decreased. Then the variation of the charge efficiency by reducing the charge effect degrees are reinitialized. Varies in this way the charge efficiency always with very small deviations the currently applicable value of the accumulator. With decreasing age of the accumulator Charging efficiency is automatically based on each observed reaction of the accumulator is taken into account.

Da in die Ermittlung der aktuellen Kapazität die Ermittlung der Restkapazität aufgrund des Strom-Spannungs-Verhaltens des Akkumulators eingeht, ist diese Ermittlung gewissen Feh­ lern unterworfen. Um den Einfluß dieser Fehler auf die Be­ stimmung des Ladewirkungsgrades zu verringern, ist es vor­ teilhaft, wenn der Vergleich der neuen aktuellen Kapazität mit der früheren Kapazität jeweils aufgrund von Mittelwerten erfolgt, die über mehrere vorhergehende Kapazitätsermittlun­ gen festgestellt worden sind. Beispielsweise wird die gemes­ sene aktuelle Kapazität mit den vier vorhergehenden Kapazi­ täten gemittelt und daraus einer der Vergleichswerte gewon­ nen. Der andere Vergleichswert ergibt sich aus der davor ge­ messenen aktuellen Kapazität, die mit den davorliegenden vier Kapazitätsmessungen gemittelt worden ist. Bei Erhöhung des neuen Vergleichswerts um einen gewissen Schwellwert, der beispielsweise bei einem halben Prozent liegen kann, gegen­ über dem alten Vergleichswert kann von einer relevanten Erhö­ hung der Kapazität durch die Erniedrigung des Ladewirkungs­ grades ausgegangen werden.Because in the determination of the current capacity the determination the remaining capacity due to the current-voltage behavior of the accumulator, this determination is a certain mistake subject to learn. To the influence of these errors on the Be to reduce the charging efficiency, it is planned partial when comparing the new current capacity with the previous capacity based on mean values that takes place over several previous capacity determinations conditions have been found. For example, the measured current capacity with the four previous capacities averages and one of the comparative values won nen. The other comparison value results from the previous one measured current capacity with the previous ones four capacity measurements have been averaged. When increasing of the new comparison value by a certain threshold value, the can be, for example, half a percent a relevant increase above the old comparison value capacity by reducing the charging effect  degrees.

Das Pendeln des Ladewirkungsgrades mit geringen Abweichun­ gen um den tatsächlichen Wert wird vorzugsweise dadurch er­ reicht, daß die Verringerung des Ladungswirkungsgrades um einen größeren Schritt erfolgt als die Erhöhung und eine zweifache Erhöhung den Effekt der einfachen Verringerung des Ladungswirkungsgrades überkompensiert. Mit anderen Worten ist der Schritt zur Verringerung des Ladungswirkungsgrades größer als ein Schritt, jedoch kleiner als zwei Schritte zur Erhöhung des Ladungswirkungsgrades.The oscillation of the charging efficiency with little deviation It is preferably the actual value suffices that the reduction in charge efficiency by a bigger step than the raise and one double increase the effect of simply reducing the Charge efficiency overcompensated. In other words is the step to reduce charge efficiency larger than one step, but smaller than two steps to increase the charge efficiency.

In einem bevorzugten praktischen Ausführungsbeispiel wird der Ladungswirkungsgrad in jeweils drei Schritten variiert. Als Initialisierung der Variation des Ladungswirkungsgrads wird in einem ersten Schritt der Ladungswirkungsgrad um 3% verringert (entsprechend einer Erhöhung des Ladefaktors um ca. 3%). Wird eine relevante Erhöhung der Kapazität des Akkumulators festgestellt, wird der so geänderte Ladungs­ wirkungsgrad im zweiten Schritt beibehalten und eine erneute Überprüfung der Kapazität vorgenommen. Ergibt sich hierbei eine weitere Erhöhung der Kapazität, wird auch im dritten Schritt der Ladungswirkungsgrad nicht geändert. In diesem Fall haben die drei durchgeführten Schritte zu einer Gesamt­ verringerung des Ladungswirkungsgrades um 3% geführt. Die­ ser Fall wird in der Praxis eher die Ausnahme darstellen. Häufiger wird sich der Fall ergeben, daß in dem genannten Beispiel die zweite Kapazitätsmessung keine wesentliche Ver­ änderung erbringt. In diesem Fall wird im dritten Schritt der Ladungswirkungsgrad um ca. 2% erhöht, also der Ladefak­ tor um ca. 2% erniedrigt. Über die drei Schritte ergibt sich dann eine resultierende Verringerung des Ladungswir­ kungsgrades um ca. 1%.In a preferred practical embodiment the charge efficiency varies in three steps. As an initialization of the variation in charge efficiency in a first step the charge efficiency is reduced by 3% reduced (corresponding to an increase in the charge factor by approx. 3%). If a relevant increase in the capacity of the Accumulator found, the charge changed in this way Maintain efficiency in the second step and a new one Capacity check made. This results in a further increase in capacity will also be in the third Step the charge efficiency has not changed. In this Case, the three steps performed have a total led to a 3% reduction in charge efficiency. The In practice, this case will be the exception. The case will arise more frequently that in the mentioned Example the second capacity measurement no significant ver brings change. In this case, the third step the charge efficiency is increased by approx. 2%, i.e. the charge factor gate reduced by approx. 2%. Resulting from the three steps then a resulting reduction in charge efficiency by around 1%.

Sollte die initialisierende Absenkung des Ladungswirkungs­ grades um 3% nicht zu einer Erhöhung der Kapazität führen, wird im zweiten die Initialisierung dadurch teilweise wie­ der rückgängig gemacht, daß der Ladungswirkungsgrad um ca. 2% erhöht wird (der Ladefaktor somit um ca. 2% erniedrigt wird). Im Anschluß hieran wird regelmäßig eine weitere Er­ höhung des Ladungswirkungsgrades um ca. 2% im dritten Schritt vorgenommen, so daß eine resultierende Erhöhung des Ladungswirkungsgrades (Erniedrigung des Ladefaktors) um 1% entsteht.Should the initializing lowering of the charge effect degree of 3% does not lead to an increase in capacity,  in the second the initialization is partially like undone that the charge efficiency by approx. 2% is increased (the load factor is thus reduced by approx. 2% becomes). Following this, another Er is regularly Charge efficiency increased by approx. 2% in the third Step made so that a resulting increase in Charge efficiency (reduction in charge factor) by 1% arises.

Nach diesen drei Schritten beginnt eine erneute Initialisie­ rung durch eine Verringerung des Ladungswirkungsgrades um etwa 3% mit den o. g. Folgen. Auf diese Weise findet eine ständige Variation des Ladungswirkungsgrades statt.After these three steps, a new initialization begins by reducing the charge efficiency by about 3% with the above Consequences. In this way, one finds constant variation of the charge efficiency takes place.

Selbstverständlich ist es möglich, die dargestellte Variation auch in jeweils zwei Schritten vorzunehmen, wobei nach der Initialisierung um 3% auch die Möglichkeit der Erhöhung des Ladungswirkungsgrades um 4% neben der Erhöhung um 2% vorgesehen werden muß, um eine resultierende Veränderung des Ladungswirkungsgrades um ± 1% zu erzielen. Die Durch­ führung der Variation in drei Schritten hat somit den Vor­ teil, daß immer gleichgroße Schritte bei der Erhöhung des Ladungswirkungsgrades vorgenommen werden können.Of course, it is possible to use the variation shown also in two steps, whereby after the Initialization by 3% also the possibility of increasing the charge efficiency by 4% in addition to the increase by 2% must be provided for a resulting change charge efficiency by ± 1%. The through Managing the variation in three steps has the advantage partly that steps of the same size in increasing the Charge efficiency can be made.

Andererseits ist es auch möglich, die Variation in jeweils vier oder mehreren Schritten durchzuführen, bevor eine er­ neute Initialisierung vorgenommen wird.On the other hand, it is also possible to change the variation in each perform four or more steps before one initialization is carried out again.

Claims (8)

1. Verfahren zur Steuerung des Ladevorgangs eines Akkumula­ tors unter Berücksichtigung von Akkumulator- und Umge­ bungsparametern, bei dem die vom Akkumulator aufgenomme­ ne und abgegebene Ladung festgestellt wird und die ein­ geladene Ladungsmenge um einen Ladefaktor < 1 höher ein­ gestellt wird als die abgegebene Ladungsmenge, dadurch gekennzeichnet, daß zur Berücksichtigung des Ladefaktors während des Ladungsvorganges eingeladene Ladungsteilmen­ gen mit einem Ladungswirkungsgrad bewertet werden, der in funktionaler Abhängigkeit von unterschiedlichen Lade­ phasen als variabel vorausgesetzt wird, daß bei Entladungen des Akkumulators die tatsächliche Kapazität des Akkumulators ermittelt wird und daß zur ständigen Anpassung des Ladungswirkungsgrads dieser variiert und der Einfluß der Variation auf die er­ mittelte Kapazität festgestellt wird.1. A method for controlling the charging process of an accumulator taking into account accumulator and environmental parameters, in which the charge received and released by the accumulator is determined and the amount of charge charged is set by a charge factor <1 higher than the amount of charge delivered, characterized in that in order to take into account the charging factor during the charging process, charged partial charge genes are evaluated with a charging efficiency which, as a function of the various charging phases, is assumed to be variable, that when the accumulator is discharged, the actual capacity of the accumulator is determined and that for constant adaptation the charge efficiency of this varies and the influence of the variation on the average capacity is determined. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der tatsächlichen Kapazität des Akkumula­ tors durch die Bildung der Summe aus der entnommenen La­ dungsmenge und der durch das Strom-Spannungs-Verhalten des Akkumulators während der Entladung ermittelten Rest­ kapazität erfolgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the determination of the actual capacity of the accumulator tors by forming the sum of the extracted La quantity and the current-voltage behavior of the accumulator determined during the discharge  capacity. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Variation des Ladungswirkungsgrades dessen Gesamt­ funktion mit einem Faktor ≠ 1 multipliziert wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that to vary the charge efficiency, its total function is multiplied by a factor ≠ 1. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Verringerung des Ladungswirkungs­ grades um einen größeren Schritt erfolgt als die Erhöhung.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized ge indicates that a reduction in the charge effect degree by a larger step than the increase. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zur Verringerung des Ladungswirkungsgrades zwischen dem Ein- und Zweifachen des Schrittes zur Erhö­ hung liegt.5. The method according to claim 4, characterized in that the step to reduce charge efficiency between one and two times the step to increase hung lies. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verringerung um etwa 3% und die Erhöhung um etwa 2% erfolgt.6. The method according to claim 5, characterized in that the reduction of about 3% and the increase of about 2% is done. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Anpassung des Ladungswirkungsgrads fortlaufend in jeweils wenigstens drei Schritten erfolgt:
  • a) Initialisierung durch Verringerung des Ladungswirkungs­ grads um einen vorgegebenen Faktor;
  • b) in Abhängigkeit von einem durchgeführten Vergleich der Kapazitäten vor und nach der Initialisierung entweder Beibehaltung des verringerten Ladungswirkungsgrads oder Erhöhung des Ladungswirkungsgrads um einen gegen­ über der mit der Initialisierung durchgeführten Ver­ ringerung geringeren Schritt;
  • c) in Abhängigkeit vom Vergleich der aktuellen Kapazität mit der Kapazität unmittelbar nach der Initialisierung entweder Beibehaltung des eingestellten Ladungswir­ kungsgrads oder Erhöhung des Ladungswirkungsgrads ana­ log Schritt b).
7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the adaptation of the charge efficiency is carried out continuously in at least three steps:
  • a) initialization by reducing the charge efficiency by a predetermined factor;
  • b) depending on a comparison of the capacities carried out before and after the initialization, either maintaining the reduced charge efficiency or increasing the charge efficiency by a step smaller than the reduction carried out with the initialization;
  • c) depending on the comparison of the current capacity with the capacity immediately after the initialization, either maintaining the set charge efficiency or increasing the charge efficiency ana log step b).
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Kapazitätsvergleich die jeweils ermittelte Kapazität mit mehreren vorangegangenen Kapa­ zitätsmessungen gemittelt wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized ge indicates that the respective determined capacity with several previous Kapa tity measurements is averaged.
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