DE19740535A1 - Batterieladegerät, welches verschiedene Batterien mit unterschiedlichen Anzahlen an Zellen laden kann - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Batterieladegerät zum Aufladen einer Sekundärbatterie (Akku) beispielsweise einer Nickelkadmiumbatterie, wobei das Ladegerät schnell und verläßlich verschiedene Batterien mit unterschiedlichen Anzahlen an Zellen laden kann.

Das deutsche Patent Nr. 39 01 096 beschreibt eine Vorgehensweise zum schnellen und verläßlichen Laden verschiedener Sekundärbatterien mit unterschiedlichen Anzahlen an Zellen. Diese Vorgehensweise umfaßt mehrere Spannungsteilerwiderstände, die unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen. Die Spannungsteilerwiderstände werden zum Teilen der Spannung über der Batterie verwendet. Ein entsprechender Spannungsteilerwiderstand wird von einem Mikrocomputer abhängig von der Batteriespannung ausgewählt, so daß die Eingangsspannung, die an einen A/D-Wandler angelegt wird, innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt, unabhängig von der Anzahl an Zellen, also unabhängig von der Batteriespannung.

Mit dieser Vorgehensweise kann der vollständig geladene Zustand der Batterie exakt durch ein so­ genanntes -ΔV-Meßverfahren festgestellt werden, bei welchem die Aufladung der Batterie beendet wird, wenn ein vorbestimmter Spannungsabfall (-ΔV) festgestellt wird, nachdem die Spannung der Batterie beim Ladevorgang den Spitzenwert erreicht hat. Diese Technik kann auch zusammen mit anderen Verfahren zur Feststellung des vollständig geladenen Zustands der Batterie eingesetzt werden, beispielsweise einem Verfahren zur Beendigung der Aufladung, bevor die Batteriespannung den Spitzenwert erreicht, oder einem Verfahren mit Feststellung der zweiten Ableitung. Das erstgenannte Verfahren ist in der Hinsicht vorteilhaft, daß eine Überladung der Batterie verhindert wird, und die Wiederaufladungszykluslebensdauer der Batterie verbessert wird, also die Anzahl an Malen, welche die Batterie geladen werden kann. Das letztgenannte Verfahren verwendet eine zweite Ableitung der Batteriespannung während des Ladevorgangs, nämlich eine zeitliche Ableitung. Wenn die zweite Ableitung der Batteriespannung negativ wird, so wird festgestellt, daß die Batteriespannung den Spitzenwert erreicht hat.

Unter anderem wird das Verfahren zur Erfassung der zweiten Ableitung, welches weniger Überladungen zuläßt als das -ΔV-Erfassungsverfahren, allmählich das hauptsächlich eingesetzte Meßverfahren. Das Verfahren mit Erfassung der zweiten Ableitung erhöht die Zykluslebensdauer von Batterien dadurch, daß weniger Überladungen zugelassen werden als bei den -ΔV-Meßverfahren, und die Anzahl an Malen verringert wird, an denen eine Druckerhöhung in der Batterie infolge der Erzeugung von Sauerstoffgas in den Endstufen der Aufladung auftritt. Darüber hinaus wird der Austritt von Elektrolytlösung in der Batterie durch die Betätigung eines Sicherheitsventils verringert, welches in der Batterie enthalten ist. Das Verfahren mit Erfassung der zweiten Ableitung wird insbesondere in weitem Ausmaß zum Aufladen von Batterien eingesetzt, bei denen das Aufladen und Entladen mit hohem Strom erfolgt, wie bei Batterien in Elektrowerkzeugen.

Wenn jedoch inaktive Batterien geladen werden, beispielsweise Batterien, die neu sind oder lange unbenutzt blieben, so ist der Ausmaß der Spannungsänderung gering, und daher ist es bei derartigen Batterien sehr schwierig, den vollständig aufgeladenen Zustand unter Verwendung des Verfahrens zur Erfassung der zweiten Ableitung zu bestimmen.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Batteriespannung während des Aufladungsvorgangs und ebenfalls einen Digitalwert entsprechend der Spannungserhöhung. Die Batteriespannung wird in vorbestimmten Zeitintervallen abgetastet, und die abgetastete Spannung wird durch einen A/D-Wandler mit 8 Bit in einen Digitalwert im Bereich von 0 bis 255 in Dezimaldarstellung umgewandelt. Der neue Digitalwert der Batteriespannung wird mit einem vorherigen Digitalwert verglichen, und die Erhöhung des Digitalwertes entsprechend der Spannungserhöhung ist in dem Diagramm von Fig. 3 dargestellt.

Wie aus diesem Diagramm hervorgeht, ist der Spannungsanstieg im Verlauf der Zeit beim Laden einer inaktiven Batterie sanft, verglichen mit einer aktiven Batterie, die in Fig. 5 gezeigt ist. Die Spannung in der Endstufe der Aufladung der inaktiven Batterie zeigt nur einen schwach ausgeprägten Spitzenwert, und da das Ausmaß der Spannungsänderung gering ist, ist es nicht möglich, verläßlich festzustellen, daß die Batterie den vollständig geladenen Zustand erreicht hat, wenn das Verfahren mit Feststellung der zweiten Ableitung dazu verwendet wird, festzulegen, wann die zweite Ableitung der Batteriespannung negativ wird. Wie in Fig. 3 gezeigt, beträgt der Digitalwert, welcher die Spannungserhöhung der inaktiven Batterie wiedergibt, nur 1. Dieses Beispiel betrifft eine Batterie mit 10 Zellen. Die Spannung, die sich über der Batterie entwickelt, wird einer Spannungsteilung mit einem Verhältnis von 0,203 unterworfen. Die Spannungserhöhung entsprechend einem Digitalwert würde daher 5/0,203 × 1/255 = 96,6 mV betragen, oder 9,66 mV/Zelle, wenn die Bezugsspannung des A/D-Wandlers mit 8 Bit 5 V beträgt. Bei diesem Beispiel wird der Wert der zweiten Ableitung der Batteriespannung als negativ ermittelt, wenn die Spannung einen Abfall des Digitalwertes von 1 auf 0 vornimmt. Da eine derartige Änderung der Digitalwerte häufig seit Beginn des Ladevorgangs auftritt, kann der vollständig geladene Zustand der Batterie nicht verläßlich festgestellt werden. Um daher verläßlich eine Volladung dadurch festzustellen, daß ermittelt wird, wann der Wert der zweiten Ableitung der Batteriespannung negativ wird, muß die gewandelte Spannungserhöhung zumindest 2 als Digitalwert betragen. Der Ladevorgang wurde dann angehalten, wenn die gewandelte Spannung um zumindest den Wert 2 (Digitalwert) absinkt. In diesem Fall kann eine Volladung nicht verläßlich festgestellt werden, wenn eine inaktive Batterie aufgeladen wird.

Fig. 4 zeigt das Aufladen einer Batterie, die deswegen warm ist, da sie soeben entladen wurde. Auch die Spannung dieser Batterie zeigt in der Endstufe nur einen schwach ausgeprägten Spitzenwert. Aus demselben Grund wie voranstehend geschildert kann ein Laderegelverfahren, welches eine negative Änderung der Spannung feststellt, nicht verläßlich das Ausmaß der Spannungsänderung mit der begrenzten Auflösung eines A/D-Wandlers feststellen.

In den letzten Jahren hat die Anforderung zugenommen, Nickelkadmiumbatterien durch Nickelwasserstoffbatterien zu ersetzen, in Reaktion auf das Erfordernis, höhere Batteriekapazitäten bereitzustellen. Jedoch weisen Nickelwasserstoffbatterien dieselben Schwierigkeiten wie voranstehend geschildert auf, da der Spitzenwert bei der Volladung nicht so deutlich ausgeprägt ist wie bei Nickelkadmiumbatterien.

Darüber hinaus sind für ein universelles Batterieladegerät, welches dazu gedacht ist, Batterien mit unterschiedlichen Zellenanzahlen aufzuladen, beispielsweise sämtliche Batterien mit einer geraden Anzahl an Zellen, von einer Batterie mit 4 Zellen bis zu einer Batterie mit 20 Zellen, insgesamt neun Spannungsteilerverhältniseinstellungen erforderlich. Um einen der Spannungsteilerwiderstände in Anpassung an die Batteriespannung unter Verwendung eines Mikrocomputers auszuwählen, muß selbstverständlich der Mikrocomputer mit neun Ausgangsanschlüssen ausgerüstet werden, was die Anzahl an Anschlußpins in dem Mikrocomputer erhöht, und daher die Abmessungen des Mikrocomputers vergrößert.

Angesichts der voranstehenden Überlegungen besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Batterieladegeräts, welches verläßlich feststellen kann, wann irgendeine Sekundärbatterie (Akkumulator) vollständig geladen wurde, ohne die Nachteile des voranstehend geschilderten Stand der Techniks.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines universellen Batterieladegeräts, welches vorbestimmte Spannungsteilerverhältnisse einstellen kann, ohne die Abmessungen des Mikrocomputers zu erhöhen.

Um die voranstehenden und weitere Ziele zu erreichen, ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Batterieladegerät mit einer Batteriespannungsmeßvorrichtung versehen, welche sicherstellt, daß die Batteriespannung immer nur innerhalb eines festgelegten Bereichs während der Ladung schwankt, unter der Voraussetzung, daß der Ladestrom einen gleichförmigen Wert aufweist, und welche mehrere Spannungsteilerverhältnisse für mehrere Spannungsteilerwiderstände enthält; sowie mit einer Batteriespannungswandlervorrichtung, welche einen Differenzverstärker aufweist, zwischen dem Mikrocomputer und dem A/D-Wandler.

Der Mikrocomputer wird zur Einstellung eines gewünschten Spannungsteilerverhältnisses verwendet, nämlich so, daß dieses der Batteriespannung entspricht, durch Auswahl einer Kombination eines oder mehrerer Spannungsteilerwiderstände unter den mehreren Spannungsteilerwiderständen in der Batteriespannungsmeßvorrichtung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile, Merkmale und Ziele hervorgehen. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild, teilweise als Blockschaltbild, eines Batterieladegeräts gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 ein Flußdiagramm zur Erläuterung des Betriebsablaufs des Batterieladegeräts gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 ein Diagramm mit einer Darstellung der Ladeeigenschaften einer inaktiven Batterie;

Fig. 4 ein Diagramm mit einer Darstellung der Ladeeigenschaften einer Batterie, die deswegen warm ist, da sie kürzlich entladen wurde;

Fig. 5 ein Diagramm mit einer Darstellung der Ladeeigenschaften einer aktiven Batterie; und

Fig. 6 ein Diagramm mit einer Darstellung der Ladeeigenschaften einer inaktiven Batterie gemäß der vorliegenden Ausführungsform.

Als nächstes wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ein Batterieladegerät gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild des Batterieladegeräts gemäß der bevorzugten Ausführungsform. Die Schaltung weist eine Wechselstromquelle 1 auf, eine Sekundärbatterie 2, die mehrere wiederaufladbare Batteriezellen enthält, die in Reihe geschaltet sind, ein Strommeßgerät 3 zur Messung des Ladestroms, der zur Sekundärbatterie 2 fließt, eine Laderegelungssignalübertragungsvorrichtung 4 zur Übertragung von Steuer- oder Regelsignalen, um den Ladevorgang einzuleiten oder anzuhalten, und eine Ladestromsignalübertragungsvorrichtung 5 zum Rückkoppeln eines Ladestromsignals an einen mit PWM (Impulsbreitenmodulation) arbeitenden Steuer- oder Regel-IC 23, der nachstehend noch genauer erläutert wird. Die Ladesteuersignalübertragungsvorrichtung 4 und die Ladestromsignalübertragungsvorrichtung 5 werden beispielsweise durch einen Photokoppler oder dergleichen gebildet.

Die Schaltung weist weiterhin eine erste Gleichrichter/Glättungsschaltung 10 auf, die an die Wechselstromversorgung 1 angeschlossen ist, eine Umschaltschaltung 20, die mit dem Ausgang der ersten Gleichrichter/Glättungsschaltung 10 verbunden ist, eine zweite Gleichrichter/Glättungsschaltung 30, die an den Ausgang der Umschaltschaltung 20 angeschlossen ist, einen Mikrocomputer 50, einen Batteriespannungsdetektor 40, der zwischen die Batterie 2 und den Mikrocomputer 50 geschaltet ist, eine Ladestromsteuerung 60, eine Konstantspannungsquelle 70, ein Ladestromeinstellgerät 80 und einen Batteriespannungswandler 90.

Die erste Gleichrichter/Glättungsschaltung 10 weist eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung 11 und einen Glättungskondensator 12 auf. Die Umschaltschaltung 20 enthält einen Hochfrequenztransformator 21, einen MOSFET 22, und den PWM-Steuer-IC 23, der voranstehend erwähnt wurde. Der PWM-Steuer-IC 23 ist ein geschalteter Spannungsversorgungs-IC zur Änderung der Treiberimpulsbreite des MOSFET 22 zur Einstellung der Ausgangsspannung der ersten Gleichrichter/Glättungsschaltung 10.

Die zweite Gleichrichter/Glättungsschaltung 30 weist Dioden 31 und 32 auf, eine Drosselspule 33, und einen Glättungskondensator 34. Der Batteriespannungsdetektor 40 enthält Widerstände 41 bis 45. Einer oder mehrere der Widerstände 42 bis 45 werden ausgewählt, unter Verwendung der Ausgangsanschlüsse 56a des Mikrocomputers 50, und zwar dadurch, daß die entsprechenden Widerstände an Masse gelegt werden. Mit der Spannung über der Batterie 2 wird eine Spannungsteilung mit einem Spannungsteilerverhältnis durchgeführt, welches durch den Widerstand 41 und einen Widerstand oder einen oder mehrere Widerstände bestimmt wird, die unter den Widerständen 42 bis 45 ausgesucht werden. Die sich ergebende, heruntergeteilte Spannung wird an die nicht­ invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 91 in dem Batteriespannungswandler 90 und an den A/D-Wandler 55a des Mikrocomputers 50 angelegt, die sämtlich nachstehend noch genauer erläutert werden.

Der Mikrocomputer 50 weist eine CPU 51 auf, ein ROM 52, ein RAM 53, einen Zeitgeber 54, A/D-Wandler (Analog/Digitalwandler) 55a und 55b, Ausgangsanschlüsse 56a und 56b, und einen Rücksetzeingangsanschluß 57. Die Ladestromsteuerung 60 weist Operationsverstärker 61 und 62 sowie Widerstände 63 bis 66 auf. Die Konstantspannungsquelle 70 weist einen Spannungsversorgungstransformator 71 auf, eine Vollwellen/Gleichrichterschaltung 72, einen Glättungskondensator 73, einen Regler 74 mit drei Anschlußklemmen, und einen Rücksetz-IC 75. Die Konstantspannungsquelle 70 liefert eine Spannung an den Mikrocomputer 50, die Ladestromsteuerung 60, usw. Der Rücksetz-IC 75 gibt ein Rücksetzsignal an den Rücksetzeingangsanschluß 57 aus, um den Mikrocomputer 50 zu initialisieren.

Das Ladestromeinstellgerät 80 ist dazu vorgesehen, eine Bezugsspannung zu ändern, die an die invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 62 angelegt wird, auf der Grundlage des Signals von dem Ausgangsanschluß 56b, also auf der Grundlage des Ladestroms, der in die Batterie fließen soll. Der Ladestrom wird in Abhängigkeit von dem Pegel der Bezugsspannung bestimmt, der an der invertierenden Eingangsklemme des Operationsverstärkers 62 eingestellt ist. Der Batteriespannungswandler 90 wird durch Operationsverstärker 91 und 92, Widerstände 93 bis 96, und eine Eingangsschutzdiode 97a gebildet, wodurch ein Differenzverstärker ausgebildet wird.

Als nächstes wird der Betrieb des Batteriespannungsdetektors 40 und des Batteriespannungswandlers 90 beschrieben, einschließlich der entsprechenden Operationen des Mikrocomputers 50. Zur Erleichterung der Beschreibung wird angenommen, daß das Batterieladegerät so ausgelegt ist, daß es für eine Sekundärbatterie 2 mit 4 bis 20 Batteriezellen geeignet ist, wobei nur Batteriezellen mit geradzahliger Anzahl vorgesehen sind. Die Widerstandswerte der Widerstände 41 bis 45 und 93 bis 96 sind folgende:
Widerstand 41 = 20 kΩ
Widerstand 42 = 5,1 kΩ
Widerstand 43 = 10 kΩ
Widerstand 44 = 10 kΩ
Widerstand 45 = 20 kΩ
Widerstand 93 = 20 kΩ
Widerstand 94 = 56 kΩ
Widerstand 95 = 10 kΩ, und
Widerstand 96 = 20 kΩ.

Weiterhin wird angenommen, daß der Ausgangsspannungsbereich des Operationsverstärkers 91 zwischen 0,2 und 4,2 V liegt, obwohl der tatsächliche Ausgangsspannungsbereich von der Offsetspannung und den Eigenschaften in Bezug auf die maximale Spannungsamplitude des Operationsverstärkers abhängt.

Der Batteriespannungsbereich I der nachstehenden Tabelle 1 gibt die Batteriespannung entsprechend Batterien an, die eine unterschiedliche Anzahl an Zellen aufweisen, und reicht von etwa 0 bis 2,5 V pro Zelle. Die Spannung einer Batterie während des Ladevorgangs unterscheidet sich entsprechend dem Ladestrom, der Batteriespannung, und dergleichen, liegt jedoch normalerweise innerhalb eines Bereichs von 1,25 V/Zelle bis 1,90 V/Zelle. Daher wird ein ausreichend großer Bereich von 0 bis 2,5 V in den A/D-Wandler 55a eingegeben.

Das Spannungsteilerverhältnis teilt den Batteriespannungsbereich I in einen Bereich von 0 bis 5 V auf, zum Anlegen der geteilten Spannung an den A/D-Wandler 55a. Der Ausgangsanschluß 56a verbindet einen Widerstand oder eine Widerstandskombination, die aus den Widerständen 42 bis 45 ausgewählt wird, mit Masse, um das Spannungsteilerverhältnis einzustellen.

Der Batteriespannungsbereich 11 zeigt einen Batteriespannungsbereich an, welcher die von dem Batteriespannungswandler 90 (Differenzverstärker) ausgegebene Spannung, als die Eingangsspannung für den A/D-Wandler 55b, zum Absinken in einen Bereich von 0,2 V bis 4,2 V veranlaßt.

TABELLE

Wie voranstehend geschildert wählt, um das festgelegte Spannungsteilerverhältnis einzustellen, welches für die Anzahl an Zellen der Sekundärbatterie 2 geeignet ist, der Mikrocomputer 50 einen oder mehrere der Widerstände 42 bis 45 aus, entsprechend den in der Tabelle angegebenen Kombinationen, und legt diesen bzw. diese über den Ausgangsanschluß 56a an Masse. Dann bleibt die Batteriespannung, die in den A/D-Wandler 55a eingegeben wird, innerhalb eines festen Spannungsbereiches von etwa 0 bis 2,50 V/Zelle. Jedes dieser Spannungsteilerverhältnisse kann durch Kombinationen der vier Widerstände 42 bis 45 eingestellt werden.

Der Batteriespannungsbereich 11 der Tabelle stellt den voranstehend genannten Widerstand für den Bereich von 1,25 bis 1,90 V/Zelle ein, wobei in diesem Bereich normalerweise Batteriespannungen schwanken. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist mit e1 die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 92 bezeichnet, und wird bei dem voranstehend genannten Widerstand unter Verwendung folgender Gleichung berechnet.

e1 = 5 (V) × (R94/(R93 + R94)) = 3,68 V (1)

Weiterhin ist e2 die Spannung, die an die nicht-invertierende Eingangsklemme des. Operationsverstärkers 91 angelegt wird, und ist gleich der Batteriespannung, multipliziert mit dem Spannungsteilerverhältnis des Batteriespannungsdetektors 40. Weiterhin stellt e0 die an den A/D-Wandler 55b angelegte Spannung dar, und wird aus folgender Gleichung berechnet:

e0 = e2 × {(R95 + R96)/R95}-e1 × (R96/R95) (2)

oder

e0 = 3e2-2e1 (3)

Anders ausgedrückt stellt der Batteriespannungswandler 90 eine Schaltung dar, welche die Ausgangsspannung des Batteriespannungsdetektors 40 an die nicht-invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 91 anlegt, und eine Spannung gleich einer nicht-invertierten Spannung ausgibt, die dreimal so groß ist wie die Spannung e2, minus dem Zweifachen der verstärkten Bezugsspannung e1.

Ist e0 = 0,2 V und e1 = 3,68 V, dann ergibt sich aus Gleichung (3), daß e2 = 2,52 V ist. Wenn die letztgenannte Spannung dazu veranlaßt wird, der Batteriespannung zu entsprechen, unter Verwendung der Spannungsteilerverhältnisse aus der Tabelle, so weist e2 etwa 1,25 V/Zelle auf. Wenn eine Batteriespannung von nicht mehr als etwa 1,25 V/Zelle an die nicht-invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 91 angelegt wird, so wird von dem Operationsverstärker 91 eine Offsetspannung ausgegeben, und an den A/D-Wandler 55b angelegt.

Ist andererseits e0 = 4,2 V und e1 = 3,68 V, dann ergibt sich aus Gleichung (3), daß e2 = 3,85 V ist. Wenn die letztgenannte Spannung dazu veranlaßt wird, der Batteriespannung zu entsprechen, unter Verwendung der Spannungsteilerverhältnisse aus Tabelle 1, so weist e2 den Wert von etwa 1,90 V/Zelle auf. Wenn eine Batteriespannung von zumindest etwa 1,90 V/Zelle an die nicht-invertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers 91 angelegt wird, so stellt das Ausgangssignal des Operationsverstärkers 91 die Spannung mit maximaler Amplitude dar, und wird an den A/D-Wandler 55b angelegt.

Die Spannung im Bereich von 0,2 bis 4,2 V, die an den A/D-Wandler 55b angelegt wird, entspricht daher einer Batteriespannung im Bereich von 1,25 bis 1,90 V/Zelle. Anders ausgedrückt sind der Batteriespannungswandler 90 und die verschiedenen Widerstände so ausgelegt, daß der Spannungsbereich, in welchem Batteriespannungen schwanken, an den A/D-Wandler 55b angelegt wird. Selbstverständlich sind die Widerstandswerte für die verschiedenen Widerstände nicht auf die voranstehend angegebenen Werte beschränkt.

Nunmehr erfolgt ein Vergleich der Spannungsänderungserfassungen gemäß dem konventionellen Verfahren und gemäß der vorliegenden Ausführungsform.

Bei dem konventionellen Verfahren beträgt die Auflösung eines 8-Bit-Wandlers:

2,50 V × 1/255 = 9,80 mV/Zelle.

Dies bedeutet, daß die Spannung pro Zelle für einen Digitalwert, der in Dezimaldarstellung dargestellt wird, gleich 9,80 mV ist.

Andererseits beträgt bei der vorliegenden Ausführungsform die Auflösung des A/D-Wandlers 55b mit 8 Bit:

(1,90V-1,25V) × 5V/(4,2V-0,2V) × 1/255) 3,19 mV/Zelle.

Dies bedeutet, daß die Spannung pro Zelle für einen Digitalwert, der in Dezimaldarstellung dargestellt wird, 3,19 mV beträgt. Dieses Ergebnis, verglichen mit dem voranstehenden Ergebnis für das konventionelle Verfahren, zeigt eine Erhöhung der Genauigkeit um etwa das Dreifache (9,80 mV verglichen zu 3,19 mV). Daher ist es möglich, verläßlich festzustellen, wann eine Batterie vollständig geladen ist, selbst wenn die Spannungsänderung der Sekundärbatterie 2 gering ist.

Nunmehr wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 und das Flußdiagramm von Fig. 2 der Betriebsablauf des Batterieladegerätes gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben. Wenn die Spannungsversorgung eingeschaltet wird, initialisiert der Mikrocomputer 50 alle seine Ausgangsanschlüsse 56a und 56b (S101), und wartet darauf, daß eine Sekundärbatterie 2 angeschlossen wird (S102). Wenn eine Sekundärbatterie angeschlossen ist ("JA" im Schritt S102), wird zunächst die Anzahl an Zellen in der Batterie untersucht. Dies erfolgt durch Vergleich der Batteriespannung mit einer Bezugsspannung nach einer Vorladung der Batterie. Im einzelnen stellt der Mikrocomputer 50 die Anfangsladezeit t0 entsprechend Signalen ein, die von dem Batteriespannungsdetektor 40 empfangen werden (S103). Daraufhin überträgt die Ladungssteuersignalübertragungsvorrichtung 4 Ladungsstartsignale an den PWM-Steuer-IC 23 über den Ausgangsanschluß 56b; das Ladestromeinstellgerät 80 liefert die Ladestrombezugsspannung V_I0 an den Operationsverstärker 62 über den Ausgangsanschluß 56b; und das Batterieladegerät beginnt mit der Ladung beim Ladestrom I0 (S104). Gleichzeitig mit dem Beginn der Ladung wird der durch die Sekundärbatterie 2 fließende Ladestrom von dem Strommeßgerät 3 erfaßt. Die Ladestromsteuerung 60 koppelt die Differenz zwischen der Spannung entsprechend diesem Ladestrom und der Ladestrombezugsspannung V_I0 an den PWM-Steuer-IC 23 über die Ladestromsignalübertragungsvorrichtung 5 zurück. Im einzelnen wird, wenn der Ladestrom klein ist, ein verbreiterter Impuls an den Hochfrequenztransformator 21 angelegt und geglättet, so daß Gleichstrom entsteht, durch die zweite Gleichrichter/Glättungsschaltung 30, und wird der Ladestrom gleichförmig auf 10 gehalten. Daher wird der Ladestrom auf einem gewünschten Stromwert I0 gehalten, durch das Strommeßgerät 3, die Ladestromsteuerung 60, die Ladestromsignalübertragungsvorrichtung 5, die Umschaltschaltung 20 und die zweite Gleichrichter/Glättungsschaltung 30.

Die Ladung wird fortgesetzt, bis seit dem Beginn der Ladung die Zeit t0 abgelaufen ist (S105). Nachdem die Zeit t0 abgelaufen ist ("JA" in S105), überträgt der Mikrocomputer 50 ein Ladestoppsignal an den PWM-Steuer-IC 23, und wird die Ladung angehalten (S106). Da der Typ der an das Ladegerät angeschlossenen Batterie, also die Anzahl an Zellen der Batterie, unbekannt ist, werden die Widerstände 42 bis 45 des Batteriespannungsdetektors 40 mit Masse verbunden, um das kleinste Spannungsteilerverhältnis et für eine Batterie mit 20 Zellen einzustellen, wie in der Tabelle angegeben. Daraufhin werden der Widerstand oder die Widerstände, die für Batterien mit unterschiedlicher Zellenanzahl ausgesucht werden, hintereinander an Masse gelegt, in der Reihenfolge von der Batterie mit einer großen Anzahl an Zellen bis zur Batterie mit der kleinsten Anzahl an Zellen, also einer Batterie mit 4 Zellen. Dies führt dazu, daß die Spannungsteilerverhältnisse, die in dem Batteriespannungsdetektor 40 eingestellt sind, hintereinander umgeschaltet werden. Die Batteriespannung, die von dem Batteriespannungsdetektor 40 zum Zeitpunkt, an welchem das Laden gestoppt wird, festgestellt wird, wird an den A/D-Wandler 55a angelegt, um die Batteriespannung V_t0 zu ermitteln (S107). Die Batteriespannung V_t0 kann dadurch berechnet werden, daß die an den A/D-Wandler 55a angelegte Spannung durch das entsprechende Spannungsteilerverhältnis geteilt wird. Die Spannung V_t0 wird mit der Bezugsspannung nVa verglichen, die für jede Batterie voreingestellt ist, und es wird die Anzahl an Zellen in der Sekundärbatterie 2 festgestellt (S108). Hierbei ist mit n die Anzahl an Zellen bezeichnet, und mit Va die Bezugsspannung pro Zelle. Die Minimalspannung für eine Nickelkadmiumbatterie beträgt etwa 1,2 V, jedoch kann die Spannung höher als 1,2 V sein, abhängig von der Restkapazität der Batterie und der Batterietemperatur.

Daraufhin wird das Spannungsteilerverhältnis entsprechend der Anzahl an Zellen dadurch eingestellt, daß der entsprechende Widerstand oder die entsprechenden Widerstände an Masse gelegt wird bzw. werden (S109). Die Ladungssteuersignalübertragungsvorrichtung 4 überträgt ein Ladungsstartsignal an den PWM-Steuer-IC 23 über den Ausgangsanschluß 56b; das Ladestromeinstellgerät 80 legt eine Ladestrombezugsspannung V_I1 an den Operationsverstärker 62 an; und das Laden der Sekundärbatterie 2 wird bei dem Ladestrom I1 wieder aufgenommen (S110).

Daraufhin werden Speicherdaten in dem RAM 53 initialisiert, und ebenso Vergleichswerte zwischen der jüngsten Batteriespannung und mehreren vorher abgetasteten Spannungen (S111), und wird der Batteriespannungsabtastzeitgeber in Gang gesetzt (S112). Wenn die Abtastzeit abgelaufen ist ("JA" in S113), wird der Batteriespannungsabtastzeitgeber erneut gestartet (S114). Die Batteriespannung, die durch den Batteriespannungsdetektor 40 geteilt wird, wird durch den Batteriespannungswandler 90 in den A/D-Wandler 55b eingegeben, und in einen Digitalwert umgewandelt. Diese Spannung wird als die Batteriespannung V_in gespeichert (S115). Man erhält ΔV durch Subtraktion der Eingangsbatteriespannung Ei-5 (sechs Abtastungen früher) von dieser Batteriespannung V_in unter Verwendung der CPU 51 (S116).

Daraufhin wird ΔV, welches im Schritt S116 erhalten wurde, mit ΔV_max verglichen (S117). Wenn der Wert, der übrigbleibt, nachdem ΔV von ΔV_max subtrahiert wurde, größer oder gleich m als Digitalwert ist ("JA" in S117), überträgt der Mikrocomputer 50 über die Ladesteuersignalübertragungsvorrichtung 4 ein Ladungsstoppsignal an den PWM-Steuer-IC 23, um das Aufladen zu stoppen (S118). Hierbei ist M eine ganze Zahl, die sich entsprechend der Auflösung des A/D-Wandlers, der Abtastzeit und dem Ladestrom ändert. Wenn beispielsweise ein Batteriespannungswandler 90 gemäß der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, ein A/D-Wandler 55b mit 8 Bits, ein Ladestrom von 9 A, und eine Abtastzeit von 5 Sekunden, so wird m auf zwischen 4 und 6 eingestellt. Normalerweise sind Digitalwerte im Bereich von 1 bis 3 erforderlich, da die Spannung innerhalb dieses Bereiches schwankt, unmittelbar bevor die Spannungserhöhung einen Spitzenwert annimmt, und die Batterie vollständig geladen wird. Der Mikrocomputer 50 wartet, bis die Sekundärbatterie 2 abgeklemmt ist (S199), und der Betriebsablauf kehrt zum Schritt S102 zurück, wenn festgestellt wird, daß die Sekundärbatterie 2 abgeklemmt wurde ("NEIN" im Schritt S119), und wartet auf den Anschluß einer anderen Batterie. Wenn der nach der Subtraktion von ΔV von ΔV_max verbleibende Wert kleiner als m ist, so wird ΔV mit ΔV_max verglichen (S120). Ist ΔV größer als ΔV_max ("JA" in S120), so werden die Daten für ΔV_max in dem RAM 53 durch den Wert von AV ersetzt (S121). Ist ΔV kleiner oder gleich ΔV_max ("NEIN" in S120), so wird der Schritt S212 übersprungen. Daraufhin werden die in dem RAM 53 gespeicherten Batteriespannungswerte überschrieben, so daß sie die jüngste Batteriespannung V_in enthalten (S122), und der Betriebsablauf kehrt zum Schritt S113 zurück.

Fig. 6 zeigt das Ladeverhalten für eine inaktive Batterie gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Durch Bereitstellung des Batteriespannungswandlers 90 kann die Änderung der Batteriespannung mit hoher Genauigkeit gemessen werden, und ist es möglich, verläßlich festzustellen, wann eine Batterie, gleichgültig in welchem Zustand sie sich befindet, vollständig geladen ist, durch Verwendung eines Verfahrens mit Feststellung der zweiten Ableitung, welches ermittelt, wann die Batterie auf ihre volle Kapazität geladen ist, nämlich durch Feststellung, wann die zweite Ableitung der Batteriespannung negativ wird.

Wie anhand der voranstehenden Ausführungsform beschrieben wurde, kann ein Batterieladegerät gemäß der vorliegenden Erfindung verläßlich die Feststellung einer vollständig geladenen Batterie steuern, selbst wenn die Spannungsänderung der Batterie, die aufgeladen wird, klein ist.

Claims (7)

1. Batterieladegerät, welches aufweist:
eine Batteriespannungsmeßvorrichtung zur Erfassung der Spannung einer Batterie, die geladen wird, und zur Ausgabe eines ersten Batteriespannungssignals, welches die Spannung der Batterie angibt;
eine Batteriespannungswandlervorrichtung zur Umwandlung des ersten Batteriespannungssignals in eine zweite Batteriespannung, die sich innerhalb eines vorbestimmten Bereiches entsprechend einem variablen Bereich der Spannung der Batterie ändert, die geladen wird, wobei die zweite Batteriespannung in Form eines Analogsignals vorliegt;
einen Analog-Digitalwandler zur Umwandlung der zweiten Batteriespannung in einen Digitalwert; und
eine Volladungserfassungsvorrichtung, die dazu dient, auf der Grundlage des Digitalwertes festzustellen, daß die Batterie den vollständig geladenen Zustand erreicht hat.

2. Batterieladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Batteriespannungswandlervorrichtung einen Differenzverstärker aufweist, der mit einem ersten Eingang versehen ist, der eine Bezugsspannung empfängt, und mit einem zweiten Eingang, der die erste Batteriespannung empfängt, und die zweite Batteriespannung aus gibt.

3. Batterieladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Batteriespannungsmeßvorrichtung mehrere Spannungsteilerwiderstände enthält, durch welche eines von mehreren Spannungsteilerverhältnissen ausgewählt werden kann.

4. Batterieladegerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der mehreren Spannungsteilerwiderstände ausgewählt wird, um eines der mehreren Spannungsteilerverhältnisse einzustellen.

5. Batterieladegerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die mehreren Spannungsteilerverhältnisse so eingestellt werden, daß die erste Batteriespannung für Batterien mit unterschiedlicher Anzahl an Zellen im wesentlichen konstant ist.

6. Batterieladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Volladungserfassungsvorrichtung eine Berechnungsvorrichtung aufweist, welche dazu dient, nacheinander das Ausmaß der Änderung der Spannung der Batterie zu berechnen, die geladen wird, und Berechnungsergebnisse aus zugeben, wobei die Volladungserfassungsvorrichtung die Aufladung auf der Grundlage der Berechnungsergebnisse beendet.

7. Batterieladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zellenanzahlerfassungsvorrichtung vorgesehen ist, um die Anzahl an Zellen festzustellen, welche die Batterie hat, die geladen wird.