(12) OPIS PATENTOWY (19)PL

RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (19)PL (21) Numer zgłoszenia: 301319 (22) Data zgłoszenia: 28.07.1992 (86)Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: 28.07.1992, PCT/JP92/00955 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: 30.09.1993, W093/19496, PCT Gazette nr 24/93 (11)176034 (13) B1 (51) IntCl6: H01M 10/44 H02J 7/00 (54) Sp o só b i urządzenie do ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych (30) Pierwszeństwo: 16.03.1992,CA,PCT/CA92/00113 (73) Uprawniony z patentu: 4C Technologies Inc., Port Coquitlam, CA DataLink Corporation, Tokio, JP (43) Zgłoszenie ogłoszono: 16.05.1994 BUP 10/94 (72) Twórca wynalazku: Stewart N. Simmonds, Port Coquitlam, CA (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 31.03.1999 W UP 03/99 (74) Pełnomocnik: Muszyński Andrzej, POLSERVICE PL 176034 B1 1. Sposób ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych, w któ- (57) rym ładuje się prądem elektrycznym ogniwo akumulatora niklowo-kadmowego i jednocześnie kontroluje się jego temperaturę, znamienny tym, że ładuje się ogniwo prądem elektrycznym do momentu, w którym bieżąca szybkość wzrostu temperatury ogniwa zmierzona podczas bieżącego okresu pomiarowego jest ponad dwa razy większa od szybkości wzrostu temperatury ogniwa zmierzonej podczas bezpośrednio poprzedzającego okresu pomiarowego. 4. Urządzenie do ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych zbudowane z zasilacza, który jest dołączony do ładowanego ogniwa akumulatora niklowo-kadmowego, elementu pomiaru temperatury dołączonego do ogniwa dla pomiaru jego temperatury, obwodu próbkowania dołączonego do elementu pomiaru temperatury dla próbkowania zmierzonych wartości temperatury i zapamiętywania danych dotyczących próbkowanych wartości temperatury, bloku arytmetycznego, którego wejście jest dołączone do obwodu próbkowania dla oceny danych o temperaturze ogniwa uzyskanych przez obwód próbkowania, elementu wyłączającego, którego jedno wejście jest dołączone do zasilacza a drugie wejście do bloku arytmetycznego zaś wyjście jest dołączone do ogniwa, oraz z dołączonego do bloku arytmetycznego obwodu sterującego do sterowania elementami i obwodami urządzenia, znamienne tym, że blok arytmetyczny (6) jest zbudowany z połączonych kolejno pierwszego obwodu arytmetycznego obliczania szybkości wzrostu temperatury ogniwa (2), drugiego obwodu arytmetycznego obliczania szybkości zmiany wzrostu temperatury ogniwa (2) oraz trzeciego obwodu arytmetycznego porównania szybkości wzrostu temperatury ogniwa (2) w kolejnych dwóch okresach pomiarowych, przy czym zasilacz (3) dołączony do ogniwa (2) jest zdolny dostarczać ładunek elektryczny co najmniej o wartości 2C. F i g. 9

Sposób i urządzenie do ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych, w którym ładuje się prądem elektrycznym ogniwo akumulatora niklowo-kadmowego i jednocześnie kontroluje się jego temperaturę, znamienny tym, że ładuje się ogniwo prądem elektrycznym do momentu, w którym bieżąca szybkość wzrostu temperatury ogniwa zmierzona podczas bieżącego okresu pomiarowego jest ponad dwa razy większa od szybkości wzrostu temperatury ogniwa zmierzonej podczas bezpośrednio poprzedzającego okresu pomiarowego. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jednocześnie z kontrolą temperatury ogniwa kontroluje się napięcie wyjściowe ogniwa, oraz ładuje się ogniwo prądem elektrycznym do momentu, w którym jednocześnie wykrywa się szybkość wzrostu temperatury ogniwa zmierzoną podczas bieżącego okresu pomiarowego, która jest ponad dwa razy większa od szybkości wzrostu temperatury ogniwa zmierzonej podczas bezpośrednio poprzedzającego okresu pomiarowego, oraz wykrywa się spadek szybkości wzrostu napięcia wyjściowego ogniwa zmierzony bezpośrednio po okresie pomiarowym, podczas którego szybkość wzrostu napięcia wyjściowego ogniwa zwiększała się w sposób ciągły. 3. Sposób ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych, w którym ładuje się prądem elektrycznym ogniwo akumulatora niklowo-kadmowego i jednocześnie mierzy się jego temperaturę, następnie poddaje się próbkowaniu zmierzone wartości temperatury oraz zapamiętuje się, względnie wyprowadza dane dotyczące próbkowanych wartości temperatury, po czym przetwarza się te dane i wysyła się sygnał sterujący sygnalizujący czas przerwania operacji ładowania oraz przerywa się dopływ prądu elektrycznego do ogniwa w odpowiedzi na sygnał sterujący, znamienny tym, że podczas operacji ładowania doprowadza się do ogniwa ładunek elektryczny co najmniej o wartości 2C, zaś w trakcie przetwarzania danych, w pierwszym etapie, oblicza się szybkość wzrostu temperatury z danych dotyczących temperatury ogniwa, otrzymanych przez próbkowanie zmierzonej wartości temperatury, w drugim etapie oblicza się szybkość zmiany przez porównanie szybkości wzrostu temperatury ogniwa w pierwszym okresie pomiarowym z szybkością wzrostu temperatury ogniwa w następnym, drugim okresie pomiarowym oraz, w trzecim etapie, porównuje się szybkość wzrostu temperatury ogniwa w drugim okresie pomiarowym z szybkością wzrostu temperatury ogniwa w pierwszym okresie pomiarowym oraz ocenia się, czy szybkość wzrostu temperatury ogniwa w drugim okresie pomiarowym jest ponad dwa razy większa od szybkości wzrostu temperatury ogniwa w pierwszym okresie pomiarowym, po czym na podstawie tej oceny wysyła się sygnał sterujący przerwaniem dopływu prądu elektrycznego do ogniwa. 4. Urządzenie do ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych zbudowane z zasilacza, który jest dołączony do ładowanego ogniwa akumulatora niklowo-kadmowego, elementu pomiaru temperatury dołączonego do ogniwa dla pomiaru jego temperatury, obwodu próbkowania dołączonego do elementu pomiaru temperatury dla próbkowania zmierzonych wartości temperatury i zapamiętywania danych dotyczących próbkowanych wartości temperatury, bloku arytmetycznego, którego wejście jest dołączone do obwodu próbkowania dla oceny danych o temperaturze ogniwa uzyskanych przez obwód próbkowania, elementu wyłączającego, którego jedno wejście jest dołączone do zasilacza a drugie wejście do bloku arytmetycznego zaś wyjście jest dołączone do ogniwa, oraz z dołączonego do bloku arytmetycznego obwodu sterującego do sterowania elementami i obwodami urządzenia, znamienne tym, że blok arytmetyczny (6) jest zbudowany z połączonych kolejno pierwszego obwodu arytmetycznego obliczania szybkości wzrostu temperatury ogniwa (2), drugiego obwodu arytmetycznego obliczania szybkości zmiany wzrostu temperatury ogniwa (2) oraz trzeciego obwodu arytmetycznego porównania szybkości

176034 3 wzrostu temperatury ogniwa (2) w kolejnych dwóch okresach pomiarowych, przy czym zasilacz (3) dołączony do ogniwa (2) jest zdolny dostarczać ładunek elektryczny co najmniej o wartości 2C. 5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że do ogniwa (2) jest następnie dołączony element pomiaru napięcia wyjściowego (41) dla pomiaru napięcia wyjściowego ogniwa (2) i dalej drugi obwód próbkowania (51), którego wejście jest dołączone do wyjścia elementu pomiaru napięcia wyjściowego (41), dla próbkowania napięcia wyjściowego ogniwa (2) i zapamiętywania danych dotyczących napięcia wyjściowego, zaś wyjście jest dołączone do bloku arytmetycznego (6), który jest zbudowany następnie z połączonych kolejno czwartego obwodu arytmetycznego obliczania szybkości wzrostu napięcia wyjściowego ogniwa (2) i piątego obwodu arytmetycznego wykrywania pierwszego spadku szybkości wzrostu napięcia wyjściowego ogniwa (2) występującego po okresie pomiarowym, podczas którego szybkość wzrostu napięcia wyjściowego ogniwa (2) zwiększała się w sposób ciągły. 6. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że do zasilacza (3) jest dołączony regulator (9) zmiany wielkości ładunku elektrycznego dostarczanego do ogniwa (2). 7. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że blok arytmetyczny (6) jest zbudowany z połączonych szeregowo pierwszej pamięci (61) przechowywania danych o temperaturze ogniwa (2), pierwszego procesora (62) obliczania średniej wartości temperatury ogniwa (2) i drugiej pamięci (63) przechowywania danych o średniej wartości temperatury ogniwa (2), przy czym wyjście drugiej pamięci (63) jest dołączone do drugiego procesora (64) obliczania szybkości wzrostu temperatury ogniwa (2) w pierwszym okresie pomiarowym i szybkości zmiany określającej wzrost względnie spadek temperatury ogniwa (2) oraz do trzeciego procesora (65) obliczania szybkości wzrostu temperatury ogniwa (2) w drugim okresie pomiarowym, następującym po pierwszym okresie pomiarowym, zaś wyjścia drugiego procesora (64) i trzeciego procesora (65) są dołączone do wejść czwartego procesora (66) wykrywania, czy szybkość wzrostu temperatury ogniwa (2) w drugim okresie pomiarowym jest ponad dwa razy większa od szybkości wzrostu temperatury ogniwa (2) w pierwszym okresie pomiarowym. 8. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że blok arytmetyczny (6) jest zbudowany ponadto z połączonych szeregowo trzeciej pamięci (610 przechowywania danych o napięciu wyjściowym ogniwa (2), piątego procesora (62') obliczania średniej wartości napięcia wyjściowego ogniwa (2) i czwartej pamięci (63') przechowywania danych o średniej wartości napięcia wyjściowego ogniwa (2), przy czym wyjście czwartej pamięci (630 jest dołączone do szóstego procesora (64') obliczania szybkości wzrostu napięcia wyjściowego ogniwa (2) w pierwszym okresie pomiarowym i szybkości zmiany określającej wzrost względnie spadek napięcia wyjściowego ogniwa (2) oraz do siódmego procesora (65') obliczania szybkości wzrostu napięcia wyjściowego ogniwa (2) w drugim okresie pomiarowym, następującym po pierwszym okresie pomiarowym, zaś wyjścia szóstego procesora (64') i siódmego procesora (65') są dołączone do wejść ósmego procesora (66') wykrywania pierwszego spadku szybkości wzrostu napięcia wyjściowego ogniwa (2) występującego po okresie pomiarowym, podczas którego szybkość wzrostu napięcia wyjściowego ogniwa (2) zwiększała się w sposób ciągły. 9. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że element pomiaru temperatury (4) zawiera termistorowy dzielnik napięcia (RT1, R2) dołączony równolegle do ogniwa (2). 10. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że do bloku arytmetycznego (6) i obwodu sterującego (8) jest dołączony wyświetlacz (100) sygnalizacji przekroczenia temperatury i/lub napięcia wyjściowego ogniwa (2). * * * Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do ładowania akumulatorów niklowokadmowych. Wtórne ogniwa elektryczne, takie jak akumulatory niklowo-kadmowe, w trakcie ich eksploatacji można ładować wiele razy. Operacja ładowania wymaga starannej kontroli w celu zmniejszenia szkodliwych oddziaływań na akumulator, jak to opisano w publikacji "Battery Charging: Extending Life Capacity" "Ładowanie akumulatorów: przedłużanie ich żywotności"

4 176 034 - Bob Williams, Cellular Business, kwiecień 1989. str. 44-49. W znanych rozwiązaniach z zakresu techniki doładowywania wtórnych ogniw elektrycznych operacja ładowania trwa kilka godzin. Wraz ze wzrostem popularności urządzeń powszechnego użytku zasilanych z wtórnych ogniw elektrycznych powstało zapotrzebowanie na układy doładowywania wtórnych ogniw elektrycznych w ciągu minut zamiast w ciągu godzin. Jakkolwiek możliwe jest "szybkie ładowanie" wtórnych ogniw elektrycznych, to wymagają one jeszcze bardziej starannej kontroli sterowania procesem ładowania akumulatorów w celu zapobieżenia ich nieodwracalnym uszkodzeniom, jak to opisano w publikacji: "Nickel - Cadmium Battery Update, Biuletyn wrześniowy, 1990, Brukselskiej Konferencji Naukowej Cadmium Association, Londyn, Anglia, listopad 1990. Znanych jest wiele urządzeń do ładowania akumulatorów, nadających się zwłaszcza do szybkiego doładowywania wtórnych ogniw elektrycznych. Zawierają one zwykle obwody elektryczne kontrolujące napięcie i/lub temperaturę ładowanego akumulatora i przerywają i/lub zmieniają dopływ prądu ładowania do akumulatora, jeżeli jego temperatura lub napięcie osiągnie zadany poziom. Takie rozwiązanie jest ujawnione w opisie patentowym USA nr 4 006 397.3. W znanych urządzeniach ładuje się zatem prądem elektrycznym ogniwo i jednocześnie mierzy się jego temperaturę, następnie poddaje się próbkowaniu zmierzone wartości temperatury oraz zapamiętuje się, względnie wyprowadza dane dotyczące próbkowanych wartości temperatury, po czym przetwarza się te dane i wysyła się sygnał sterujący sygnalizujący czas przerwania operacji ładowania oraz przerywa się dopływ prądu elektrycznego do ogniwa w odpowiedzi na sygnał sterujący. Znane urządzenia są zbudowane z zasilacza, który jest dołączony do ładowanego ogniwa, elementu pomiaru temperatury dołączonego do ogniwa dla pomiaru jego temperatury, obwodu próbkowania dołączonego do elementu pomiaru temperatury dla próbkowania zmierzonych wartości temperatury i zapamiętywania danych dotyczących próbkowanych wartości temperatury, bloku arytmetycznego, którego wejście jest dołączone do obwodu próbkowania dla oceny danych o temperaturze ogniwa uzyskanych przez obwód próbkowania, elementu wyłączającego, którego jedno wejście jest dołączone do zasilacza a drugie wejście do bloku arytmetycznego zaś wyjście jest dołączone do ogniwa, oraz z dołączonego do bloku arytmetycznego obwodu sterującego do sterowania elementami i obwodami urządzenia. W japońskich publikacjach patentowych nr 62-23528 i nr 62-23529 opisane są sposoby ładowania regeneracyjnego baterii ogniw wtórnych, na przykład akumulatorów niklowo-kadmowych, w których szczególną wagę przywiązuje się do zmiany kształtu charakterystyki napięciowej ogniwa podczas ładowania, zapamiętuje się z góry pewną liczbę punktów przegięcia charakterystyki napięciowej i przerywa się operację ładowania, jeżeli wystąpił według założonego z góry porządku określony, zadany zespół punktów przegięcia. Przy stosowaniu powyższych sposobów konieczne jest jednak wpisanie z góry zmiany kształtu charakterystyki napięciowej, podczas operacji ładowania dla każdego z akumulatorów różnych rodzajów, i odpowiednia modyfikacja zapamiętanych informacji tak, aby odpowiadała ona ładowanym akumulatorom, co jest czynnością kłopotliwą. Ponadto, zależnie od otoczenia, w którym odbywa się operacja ładowania, oraz od histerezy baterii, szczegóły kształtu charakterystyki napięciowej akumulatora nie zawsze charakteryzują się tą sama kolejnością i wielkością w poszczególnych zapamiętanych punktach, co zapewniłoby prawidłowe wykonywanie operacji ładowania lub doładowywania. Poza tym trudne jest wykonanie operacji szybkiego ładowania bez pogorszenia sprawności akumulatorów. Zatem wtórne baterie elektryczne, a zwłaszcza doładowywane akumulatory niklowo-kadmowe wymagają czasu ładowania od 6 do nawet 15 godzin. W przypadku tak zwanego szybkiego doładowywania, które wykonuje się w stosunkowo krótkim okresie czasu, zajmuje to jednak od 1 do 2 godzin. Jeżeli ogniwa buforowe, baterie lub ogniwa akumulatorowe, wykorzystywane są podczas ładowania do normalnej pracy, to pożądane jest dokonywanie tego doładowywania w możliwie krótkim czasie. Jednakże występuje tutaj ograniczenie wynikające ze wzrostu temperatury i ciśnienia wewnętrznego, spowodowanych reakcjami chemicznymi wewnątrz ogniw wtórnych. Doładowywanie przez przepuszczanie bardzo dużego prądu w krótkim czasie może spowodować nie tylko uszkodzenie ogniw, lecz również pogorszenie ich parametrów, na przykład zmianę

176 034 5 charakterystyk wejściowych lub parametrów ładowania, i może spowodować, że nie będą się one nadawać do wykorzystania. W ostatnich latach wzrasta w wielu dziedzinach przemysłu zapotrzebowanie na baterie wtórnych ogniw elektrycznych. W takich bateriach należy unikać całkowitego wyładowania źródła energii podczas pracy, oraz zapewnić szybkie, bądź, co byłoby najbardziej pożądanenatychmiastowe - doładowanie ogniw wtórnych, zwłaszcza przy ich stosowaniu w narzędziach mechanicznych, w szpitalach, w sprzęcie medycznym i w łączności, na przykład w telefonach przenośnych. Istotą sposobu ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych, według wynalazku, w którym ładuje się prądem elektrycznym ogniwo akumulatora niklowo-kadmowego i jednocześnie kontroluje się jego temperaturę, jest to, że ładuje się ogniwo prądem elektrycznym do momentu, w którym bieżąca szybkość wzrostu temperatury ogniwa zmierzona podczas bieżącego okresu pomiarowego jest ponad dwa razy większa od szybkości wzrostu temperatury ogniwa zmierzonej podczas bezpośrednio poprzedzającego okresu pomiarowego. Korzystnie według wynalazku jednocześnie z kontrolą temperatury ogniwa kontroluje się napięcie wyjściowe ogniwa, oraz ładuje się ogniwo prądem elektrycznym do momentu, w którym jednocześnie wykrywa się szybkość wzrostu temperatury ogniwa zmierzoną podczas bieżącego okresu pomiarowego, która jest ponad dwa razy większa od szybkości wzrostu temperatury ogniwa zmierzonej podczas bezpośrednio poprzedzającego okresu pomiarowego, oraz wykrywa się spadek szybkości wzrostu napięcia wyjściowego ogniwa zmierzony bezpośrednio po okresie pomiarowym, podczas którego szybkość wzrostu napięcia wyjściowego ogniwa zwiększała się w sposób ciągły. Istotą odmiany sposobu ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych, według wynalazku, w którym ładuje się prądem elektrycznym ogniwo akumulatora niklowo-kadmowego i jednocześnie mierzy się jego temperaturę, następnie poddaje się próbkowaniu zmierzone wartości temperatury oraz zapamiętuje się, względnie wyprowadza dane dotyczące próbkowanych wartości temperatury, po czym przetwarza się te dane i wysyła się sygnał sterujący sygnalizujący czas przerwania operacji ładowania oraz przerywa się dopływ prądu elektrycznego do ogniwa w odpowiedzi na sygnał sterujący, jest to, że podczas operacji ładowania doprowadza się do ogniwa ładunek elektryczny co najmniej o wartości 2C, zaś w trakcie przetwarzania danych, w pierwszym etapie, oblicza się szybkość wzrostu temperatury z danych dotyczących temperatury ogniwa, otrzymanych przez próbkowanie zmierzonej wartości temperatury, w drugim etapie oblicza się szybkość zmiany przez porównanie szybkości wzrostu temperatury ogniwa w pierwszym okresie pomiarowym z szybkością wzrostu temperatury ogniwa w następnym, drugim okresie pomiarowym oraz, w trzecim etapie, porównuje się szybkość wzrostu temperatury ogniwa w drugim okresie pomiarowym z szybkością wzrostu temperatury ogniwa w pierwszym okresie pomiarowym oraz ocenia się, czy szybkość wzrostu temperatury ogniwa w drugim okresie pomiarowym jest ponad dwa razy większa od szybkości wzrostu temperatury ogniwa w pierwszym okresie pomiarowym, po czym na podstawie tej oceny wysyła się sygnał sterujący przerwaniem dopływu prądu elektrycznego do ogniwa. Istotą urządzenia do ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych, według wynalazku, zbudowanego z zasilacza, który jest dołączony do ładowanego ogniwa akumulatora niklowokadmowego, elementu pomiaru temperatury dołączonego do ogniwa dla pomiaru jego temperatury, obwodu próbkowania dołączonego do elementu pomiaru temperatury dla próbkowania zmierzonych wartości temperatury i zapamiętywania danych dotyczących próbkowanych wartości temperatury, bloku arytmetycznego, którego wejście jest dołączone do obwodu próbkowania dla oceny danych o temperaturze ogniwa uzyskanych przez obwód próbkowania, elementu wyłączającego, którego jedno wejście jest dołączone do zasilacza a drugie wejście do bloku arytmetycznego zaś wyjście jest dołączone do ogniwa, oraz z dołączonego do bloku arytmetycznego obwodu sterującego do sterowania elementami i obwodami urządzenia, jest to, że blok arytmetyczny jest zbudowany z połączonych kolejno pierwszego obwodu arytmetycznego obliczania szybkości wzrostu temperatury ogniwa, drugiego obwodu arytmetycznego obliczania szybkości zmiany wzrostu temperatury ogniwa oraz trzeciego obwodu arytmetycznego porównania szybkości wzrostu temperatury ogniwa w kolejnych dwóch okresach pomiarowych, przy

6 176 034 czym zasilacz dołączony do ogniwa jest zdolny dostarczać ładunek elektryczny co najmniej o wartości 2C. Korzystnie w urządzeniu według wynalazku do ogniwa jest następnie dołączony element pomiaru napięcia wyjściowego dla pomiaru napięcia wyjściowego ogniwa i dalej drugi obwód próbkowania, którego wejście jest dołączone do wyjścia elementu pomiaru napięcia wyjściowego, dla próbkowania napięcia wyjściowego ogniwa i zapamiętywania danych dotyczących napięcia wyjściowego, zaś wyjście jest dołączone do bloku arytmetycznego, który jest zbudowany następnie z połączonych kolejno czwartego obwodu arytmetycznego obliczania szybkości wzrostu napięcia wyjściowego ogniwa i piątego obwodu arytmetycznego wykrywania pierwszego spadku szybkości wzrostu napięcia wyjściowego ogniwa występującego po okresie pomiarowym, podczas którego szybkość wzrostu napięcia wyjściowego ogniwa zwiększała się w sposób ciągły. Korzystnie do zasilacza jest dołączony regulator zmiany wielkości ładunku elektrycznego dostarczanego do ogniwa. Korzystnie blok arytmetyczny jest zbudowany z połączonych szeregowo pierwszej pamięci przechowywania danych o temperaturze ogniwa, pierwszego procesora obliczania średniej wartości temperatury ogniwa i drugiej pamięci przechowywania danych o średniej wartości temperatury ogniwa, przy czym wyjście drugiej pamięci jest dołączone do drugiego procesora obliczania szybkości wzrostu temperatury ogniwa w pierwszym okresie pomiarowym i szybkości zmiany określającej wzrost względnie spadek temperatury ogniwa oraz do trzeciego procesora obliczania szybkości wzrostu temperatury ogniwa w drugim okresie pomiarowym, następującym po pierwszym okresie pomiarowym, zaś wyjścia drugiego procesora i trzeciego procesora są dołączone do wejść czwartego procesora wykrywania, czy szybkość wzrostu temperatury ogniwa w drugim okresie pomiarowym jest ponad dwa razy większa od szybkości wzrostu temperatury ogniwa w pierwszym okresie pomiarowym. Korzystnie blok arytmetyczny jest zbudowany ponadto z połączonych szeregowo trzeciej pamięci przechowywania danych o napięciu wyjściowym ogniwa, piątego procesora obliczania średniej wartości napięcia wyjściowego ogniwa i czwartej pamięci przechowywania danych o średniej wartości napięcia wyjściowego ogniwa, przy czym wyjście czwartej pamięci jest dołączone do szóstego procesora obliczania szybkości wzrostu napięcia wyjściowego ogniwa w pierwszym okresie pomiarowym i szybkości zmiany określającej wzrost względnie spadek napięcia wyjściowego ogniwa oraz do siódmego procesora obliczania szybkości wzrostu napięcia wyjściowego ogniwa w drugim okresie pomiarowym, następującym po pierwszym okresie pomiarowym, zaś wyjścia szóstego procesora i siódmego procesora są dołączone do wejść ósmego procesora wykrywania pierwszego spadku szybkości wzrostu napięcia wyjściowego ogniwa występującego po okresie pomiarowym, podczas którego szybkość wzrostu napięcia wyjściowego ogniwa zwiększała się w sposób ciągły. Korzystnie element pomiaru temperatury zawiera termistorowy dzielnik napięcia dołączony równolegle do ogniwa. Korzystnie do bloku arytmetycznego i obwodu sterującego jest dołączony wyświetlacz sygnalizacji przekroczenia temperatury i/lub napięcia wyjściowego ogniwa. Rozwiązanie według wynalazku umożliwia szybkie ładowanie wtórnych źródeł energii elektrycznej, a zwłaszcza akumulatorów niklowo-kadmowych, w krótkim czasie, od w przybliżeniu kilku minut do mniej niż 20 minut. Doładowywanie z tak dużą szybkością zwiększa znaczenie niektórych parametrów, które nie były istotne w przypadku znanych, wolniej działających, urządzeń doładowywania. Jednak stwierdzono, że te parametry można skutecznie dostosować tak, aby otrzymać niezawodne urządzenie do szybkiego ładowania, bez narażania akumulatora na ujemne efekty uboczne. Przedmiot wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zastępczy układ elektryczny urządzenia do ładowania i rozładowywania akumulatorów ładunkiem elektrycznym o wartości 0,1 C, fig. 2 - zastępczy układ elektryczny urządzenia do ładowania akumulatorów ładunkiem elektrycznym o wartości 4 C, fig. 3 - zastępczy układ elektryczny urządzenia do rozładowywania akumulatorów, fig. 4 - zastępczy układ elektryczny przy przeładowywaniu akumulatora, fig. 5 - wykres, na którym przedstawiono

temperaturę akumulatora w C (krzywa dolna) i napięcie (krzywa górna) w funkcji czasu wyrażonego w sekundach dla zastępczego układu ładowania akumulatora z fig. 2, fig. 6 jest podobna do fig. 5, lecz przedstawia przypadek, w którym początkowa temperatura akumulatora, przed rozpoczęciem doładowania, jest wyższa od temperatury początkowej akumulatora w przypadku przedstawionym na fig. 5, fig. 7 stanowi powiększenie wykresów temperatury z fig. 5 i 6, fig. 8 stanowi nałożenie danych z fig. 5 i 6, fig. 9 przedstawia schemat blokowy urządzenia według wynalazku, fig. 10 - element pomiarowy stosowany do pomiaru temperatury powierzchni zewnętrznych ogniwa, fig. 11 - elementy pomiarowe stosowane do pomiaru temperatury ogniwa przy równoczesnym pomiarze napięcia wyjściowego na jego zaciskach, fig. 12A i 12B - schematy blokowe bloku arytmetycznego urządzenia, fig. 13 do 16 przedstawiają wykresy ilustrujące wyniki pomiarów temperatury i napięcia akumulatora niklowo-kadmowego podczas jego ładowania z zastosowaniem urządzenia według wynalazku, fig. 17 i 18 - wykresy zmian temperatury i napięcia podczas ładowania ogniwa akumulatora niklowo-kadmowego przy zastosowaniu konwencjonalnego sposobu ładowania, fig. 19 - wykres ilustrujący wyniki arytmetycznego obliczenia zwiększenia się temperatury i prędkości wzrostu napięcia na podstawie danych pomiarowych przedstawionych na fig. 17 i 18, fig. 20 i 21 przedstawiają wykresy ukazujące wyniki arytmetycznego obliczenia prędkości wzrostu temperatury i prędkości wzrostu napięcia na podstawie danych pomiarowych przedstawionych na fig. 13 do 16, fig. 22 przedstawia sieć działań w sekwencji czynności sposobu według wynalazku, fig. 23 - schemat elektryczny urządzenia według wynalazku, fig. 24 - schemat elektryczny części zasilającej urządzenia według wynalazku, fig. 25 - schemat elektryczny układu pomiaru temperatury i jego bloku arytmetycznego w urządzeniu według wynalazku, fig. 26 - schemat elektryczny układu pomiaru napięcia i jego bloku arytmetycznego w urządzeniu według wynalazku, a fig. 27 do 43 przedstawiają sieci działań ilustrujących pozostałe operacje wykonywane przy praktycznej realizacji sposobu według wynalazku. Akumulator niklowo-kadmowy ma elektrodę dodatnią, z wodorotlenkiem niklu, i elektrodą ujemną, ze związku kadmu. Jako elektrolit wykorzystuje się wodorotlenek potasu. Przy ładowaniu zachodzi następująca reakcja: 2Ni (OH)2 + Cd (OH)2 -> 2NiOOH + Cd + 2H2O (1) Na elektrodzie dodatniej wodorotlenek niklu przechodzi w tlenowodorotlenek niklu. Na elektrodzie ujemnej wodorotlenek kadmu przechodzi w kadm. Powoduje to wystąpienie łącznej różnicy potencjałów (siły elektromotorycznej) wynoszącej: (+ 0,52 V) - (-0,8 V) = + 1,32 V Podczas rozładowania zachodzi reakcja następująca: 176 034 7 2NiOOH + Cd + 2H2O - > 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 (2) Zatem podczas rozładowania reakcje chemiczne są odwrotne do reakcji chemicznych zachodzących podczas ładowania. Siła elektromotoryczna powstająca przy rozładowaniu jest również skierowana odwrotnie do napięcia ładowania. Wiadomo, że przy osiąganiu przez akumulator stanu pełnego naładowania woda zawarta w elektrolicie ulega rozkładowi elektrolitycznemu przy wydzielaniu gazowego tlenu na elektrodzie dodatniej i gazowego wodoru na elektrodzie ujemnej. Powoduje to zmniejszenie zawartości wody w elektrolicie. Ponadto wytwarzane gazy zwiększają ciśnienie wewnętrzne w obudowie akumulatora. W celu uniknięcia niebezpieczeństwa ewentualnej eksplozji obudowa posiada zawór nadmiarowy umożliwiający wydostanie się gazów przy ich nagromadzeniu się w stopniu przekraczającym poziom bezpieczny. Przy współczesnych technologiach wytwarzania akumulatorów dąży się do minimalizacji wytwarzania gazów wewnątrz akumulatora przez stosowanie na elektrodzie ujemnej akumulatora większej ilości materiału aktywnego, niż na elektrodzie

8 176 034 dodatniej. Umożliwia to pełne naładowanie elektrody dodatniej na długo przed osiągnięciem stanu pełnego naładowania na elektrodzie ujemnej. Powstaje wtedy, w następujący sposób, tylko gazowy tlen: 4OH >2H2O + O2 + 4e (3) Tlen wędruje do elektrody ujemnej, gdzie reaguje z kadmem z wytworzeniem wodorotlenku kadmu, to znaczy bez wytwarzania tlenu w postaci gazowej. Wodorotlenek kadmu jest pierwotnym produktem rozładowania elektrody ujemnej. Jeżeli szybkość reakcji ładowania na elektrodzie ujemnej wzrasta do punktu, w którym osiąga szybkość rekombinacji tlenu, to osiąga się równowagę. Tak wiec elektroda ujemna zawsze jest naładowana w sposób niepełny, ale dzięki temu nie powstaje gazowy wodór. Akumulator uważa się za całkowicie naładowany po osiągnięciu wspomnianej powyżej równowagi. Dalsze ładowanie nazywane jest "przeładowywaniem". Powyższe ważne jest tylko w przypadku, jeżeli ładunek elektryczny ograniczony jest w przybliżeniu do wartości 0,3 C (kulomba), to znaczy prąd ładowania jest równoważny prądowi 300 miliamperów ("ma") doprowadzanemu do akumulatora o pojemności znamionowej 1000 miliamperogodzin ("mah"). Przy tej szybkości ładowania wewnętrzne ciśnienie akumulatora utrzymuje się na poziomie 1 atm. Jeżeli jednak prąd przeładowania wzrośnie do wartości 1C (to znaczy prądu ładowania równoważnego wartości 1000 ma doprowadzanego do akumulatora o pojemności 1000 mah), to ciśnienie wewnętrzne akumulatora wzrośnie do 10 atm. Przy szybkościach ładowania ładunkiem elektrycznym przekraczającym wartość 1C, wewnętrzne ciśnienie akumulatora jest jeszcze większe. Dlatego ważne jest zapobieganie przeładowywaniu akumulatorów przy ładowaniu ich podwyższonymi prądami. Zamieszczone poniżej omówienie teoretyczne jest przedstawione w celu ułatwienia specjalistom zrozumienia przedmiotu wynalazku. Akumulator jest urządzeniem elektrochemicznym, którego zadaniem jest magazynowanie energii elektrycznej. W celu przedstawienia różnych warunków występujących w akumulatorze stosuje się zastępcze układy elektryczne. Należy zauważyć, że przy zmianach którejkolwiek z reakcji chemicznych zachodzących w akumulatorze należy stosować inne układy zastępcze. Figura 1 przedstawia zastępczy układ elektryczny dla akumulatora, podczas jego ładowania i rozładowania ładunkiem elektrycznym o wartości 0,1 C, i stanowi najczęściej wykorzystywany model elektryczny. Wewnętrzna rezystancja akumulatora, Rwewnętrzne, reprezentowana jest przez rezystor zmienny o wartości rezystancji odwrotnie proporcjonalnej do poziomu energii akumulatora. Przy ładowaniu akumulatora rezystancja Rwewnętrzne jest początkowo wysoka, lecz zmniejsza się w miarę ładowania akumulatora. Z zastosowania reguły potencjałów węzłowych Kirchhoffa wynika, że kiedy wartość Rwewnętrzne jest duża, to większość spadku przyłożonego napięcia ładowania odkłada się na rezystorze Rwewnętrzne, przy bardzo małym spadku napięcia na samym akumulatorze. Po zmniejszeniu się wartości Rwewnętrzne, większość przyłożonego napięcia ładowania spada na akumulatorze, natomiast bardzo niewielki jest spadek napięcia na rezystorze Rwewnętrzne. Podczas rozładowywania akumulatora wartość Rwewnętrzne jest początkowo mała, lecz wzrasta w miarę zmniejszania się poziomu energii akumulatora. Tak więc początkowo występuje mały spadek napięcia na Rwewnętrzne, lecz ten spadek narasta w miarę spadku poziomu energii akumulatora. Można następnie przeanalizować efekty rozpraszania mocy w akumulatorze. Rezystor Wewnętrzne powoduje wydzielanie mocy, zarówno podczas ładowania, jak i rozładowania akumulatora. Spodziewanym wynikiem wydzielania mocy jest nagrzewanie, lecz egzotermiczne reakcje chemiczne równoważą efekt nagrzewania mocą wydzieloną w rezystorze Wewnętrzne, tak że ciepło nie powstaje lub powstaje w niewielkich ilościach. Nawet podczas przeładowania akumulator może wchłaniać nadmiar energii, aż do szybkości ładowania ładunkiem elektrycznym o wartości 0,3 C, bez ujemnych skutków. Jednakże, kiedy szybkość ładowania/rozładowania przekroczy wartość 0,3 C, to należy już uwzględniać inne czynniki, które wpływają na wewnętrzną równowagę reakcji chemicznych wewnątrz akumulatora.

176 034 9 Figura 2 przedstawia elektryczny układ zastępczy dla ładowania akumulatora ładunkiem elektrycznym o wartości 4C. Na rysunku przedstawiono dwa równolegle połączone rezystory wewnętrzne: stały rezystor Rint1i zmienny rezystor Rint2. Rezystor Rint2 odpowiada rezystorowi Rwewnętrzne z fig. 1, tak że wartość rezystancji Rint2 jest odwrotnie proporcjonalna do poziomu energii akumulatora. Również nagrzewania powodowane przez wydzielanie mocy w rezystorze Rint2 jest równoważone przez efekty endotermiczne reakcji chemicznych. Rezystor Rint2 reprezentuje szczątkową składową rezystancji, różniącą się o rezystancji Rint2 tym, że wartość rezystancji Rint2 jest stała i niezależna od jakichkolwiek reakcji chemicznych zachodzących w akumulatorze. Wartość rezystancji Rint1 jest stosunkowo niewielka, także nie wpływa ona, lub wpływa w niewielkim stopniu na ogólny wzrost temperatury akumulatora podczas ładowania. Po osiągnięciu stanu pełnego naładowania przez akumulator rezystancja Rint2 zmniejsza się do wartości poniżej wartości rezystancji Rint1 i wpływ Rint1 staje się przeważający. W tym momencie w rezystorze Rint1 wytwarzane są duże ilości ciepła powodując istotny wzrost temperatury ogólnej akumulatora. Figura 3 przedstawia zależność miedzy rezystancjami Rint1 i Rint2 podczas rozładowywania akumulatora. Wartość rezystancji Rint2 początkowo jest dominująca (to znaczy znacznie przekracza wartość rezystancji Rint2), przy czym także wszelkie nagrzewanie i spadek napięcia na zaciskach spowodowane są głównie przez rezystor Rint2. Przy zmniejszeniu się poziomu energii akumulatora, wartość rezystancji Rint2 wzrasta. W końcu wartość rezystancji Rint2 staje się na tyle duża, że całe napięcie akumulatora odkłada się na rezystorach Rint2 i Rint2, przy zerowym spadku napięcia na akumulatorze (to znaczy na zaciskach akumulatora występuje zerowe napięcie wyjściowe). Figura 4 przedstawia elektryczny układ zastępczy akumulatora przeładowywanego. Przy pełnym naładowaniu akumulatora wartość rezystancji Rint2 wynosi praktycznie zero omów. Zatem jedyna rezystancja akumulatora reprezentowana jest przez rezystor Rint1. Stwierdzono, że nagrzewanie powodowane przez rezystor Rint1 jest minimalne przy szybkościach ładowania ładunkiem elektrycznym o wartości 0,3C. Powyżej szybkości ładowania ładunkiem elektrycznym o wartości 3C ciepło wydzielane przez rozpraszanie mocy w rezystorze Rint1 wzrasta proporcjonalnie do wzrostu szybkości ładowania. Poza tym przy podwyższonych szybkościach ładowania powstają nadmierne ilości tlenu. Tlen reaguje z kadmem na elektrodzie ujemnej zmniejszając napięcie ogniwa. To z kolei powoduje wzrost mocy wydzielanej w rezystorze Rint1, co powoduje dalsze nagrzewanie prowadzące do przegrzania. Odpowiednio do tego ważne jest zapobieganie przeładowywaniu akumulatora przy ładowaniu ich podwyższonymi prądami. Na figurach 5 do 8 przedstawiono wykresy temperatury i napięcia akumulatora niklowokadmowego ładowanego ładunkiem elektrycznym o wartości 4C. Fig. 5 i 6 przedstawiają funkcję napięcia na zaciskach akumulatora i temperatury jego powierzchni dla różnych początkowych temperatur akumulatora. Mówiąc dokładniej, na fig. 5 przedstawiono wykres temperatury akumulatora w C (dolna krzywa oznaczona "TEMP1") i napięcia (górna krzywa oznaczona "WOLT1") w funkcji czasu w sekundach, przy ładowaniu akumulatora ładunkiem elektrycznym o wartości 4C i jego temperaturze początkowej 38,8 C. Fig. 6 jest podobna do poprzedniej, z tym wyjątkiem, że odpowiednie wykresy temperatury i napięcia akumulatora oznaczono przez "TEMP2" i "WOLT2"; oraz że temperatura początkowa akumulatora wynosi 23,3 C. Fig. 7 stanowi powiększenie wykresów temperatury z fig. 5 i 6. Analiza napięcia akumulatora podczas ładowania wykazuje nagły wzrost i następnie spadek szybkości przyrostu napięcia pod koniec cyklu ładowania. Na fig. 5 i 6 widać, że szybkość wzrostu napięcia ładowania rośnie od około 1 mv/s dla pierwszych 9 minut (od 0 do 540 sekundy), do około 4 mv/s dla następnych 90 sekund (od 600 do 690 sekundy) oraz do około 8 mv/s dla kolejnych 90 sekund (od 690 do 780 sekundy). Następnie napięcie akumulatora w dalszym ciągu wzrasta, lecz szybkość, z którą przyrasta zmniejsza się w końcu do około 2 mv/s w 830 sekundzie. Po około 830 sekundach doprowadzania prądu elektrycznego akumulator może nie pobierać już więcej energii i być uznanym za całkowicie naładowany. Analiza wykresów temperatury akumulatora z fig. 5, 6 i 7, wykazuje brak podobieństwa między krzywymi, z wyjątkiem zakończenia cyklu ładowania. Od sekundy 0 do 360 krzywa "TEMP1" wykazuje wzrost temperatury wynoszący 0,0097 C/s, natomiast krzywa "TEMP2"

10 176034 wykazuje w rzeczywistości spadek temperatury 0,057 C/s. Od 660 do 830 sekund, szybkość wzrostu temperatury zwiększa się, odpowiednio, do 0, 038 C/s ( krzywa "TEMP1" ), i do 0,01 C/s (krzywa "TEMP2"). Wykazuje ona przynajmniej dwukrotny wzrost (tzn. podwojenie) szybkości wzrostu temperatury w punkcie prawie całkowitego naładowania akumulatora. Szybkie ładowanie, które stanowi jeden z celów wynalazku, wymaga precyzyjnej kontroli ilości ładunku w celu uniknięcia powstawania szkodliwych warunków, które mogłyby spowodować nieodwracalne uszkodzenie akumulatora. W znanych sposobach, nadających się do ładowania akumulatorów z prędkościami odpowiadającymi ładunkowi elektrycznemu o wartości do 1C, występują problemy przy jego wartości większej niż 1C. W szczególności występuje przeładowanie, które z kolei powoduje nadmierne wytwarzanie ciepła w akumulatorze, jak to opisano powyżej. Może to prowadzić do zmniejszenia pojemności i żywotności akumulatora oraz silnego gazowania akumulatora. Niezbędne precyzyjne sterowanie przy ładowaniu ładunkiem elektrycznym przekraczającym wartość 1C odbywa się przez dokładne kontrolowanie napięcia akumulatora, jego temperatury, lub też obydwu tych wielkości. Napięcie akumulatora wykazuje specyficzną cechę przejawiającą się tylko w momencie, kiedy akumulator naładowany jest w 95%. Cechą tą jest spadek szybkości wzrostu napięcia bezpośrednio po okresie, kiedy ta szybkość wzrostu napięcia zwiększała się w sposób ciągły. Po wykryciu tego spadku, dla zabezpieczenia akumulatora przed przeładowaniem, należy przerwać ładowanie ze zwiększoną szybkością ładowania. Temperatura akumulatora również wykazuje specyficzną cechę, która przejawia się tylko w momencie naładowania akumulatora wynoszącym 90-100%. Tą cechą jest nagły wzrost, przynajmniej dwukrotny, szybkości narastania temperatury akumulatora. Ten nagły wzrost oznacza, że akumulator jest naładowany prawie całkowicie, i że należy przerwać ładowanie z dużą szybkością ładowania. Zamiast wyłączania ładowania z dużą szybkością po wykryciu albo opisanego warunku napięciowego albo warunku temperaturowego, można dokonywać tego przerwania po równoczesnym wykryciu obu warunków. Przy dokładnym sterowaniu ładowaniem akumulatora z dużą szybkością można, jak wynika z powyższego, ładować akumulator szybko do stanu około 95 do 100% naładowania bez narażania go na niepożądane efekty wynikające z jego przeładowania. Poniżej opisano przykłady wykonania urządzenia do szybkiego ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych według wynalazku, z powołaniem się na załączone rysunki. Na figurze 9 przedstawiono schemat blokowy objaśniający konstrukcję urządzenia do szybkiego ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych według wynalazku, które zawiera zasilacz 3 dostarczający prąd elektryczny do ładowanego ogniwa 2 akumulatora niklowo-kadmowego, element pomiaru temperatury 4 służący do pomiaru temperatury ogniwa 2, pierwszy obwód próbkowania 5, mierzący temperaturę ogniwa 2 i przechowujący dane o niej lub przekazujący je na zewnątrz do bloku arytmetycznego 6. Blok arytmetyczny 6 przetwarza dane o temperaturze ogniwa 2 otrzymane z pierwszego obwodu próbkowania 5 i daje na wyjściu sygnał sterujący, wyznaczając moment zakończenia operacji ładowania. Urządzenie zawiera ponadto element wyłączający 7, który przerywa dopływ prądu z zasilacza 3 do ogniwa 2, po otrzymaniu sygnału wyjściowego z bloku arytmetycznego 6, oraz obwód sterujący 8 do sterowania każdego z pozostałych elementów i obwodów urządzenia. Zasilacz 3 urządzenia dostarcza do ogniwa 2, podczas operacji ładowania, ładunek elektryczny przynajmniej o wartości 2C. Blok arytmetyczny 6 wykonuje pierwszą funkcję arytmetyczną, która polega na obliczaniu szybkości wzrostu temperatury ogniwa 2 na podstawie danych o tej temperaturze otrzymanych z pierwszego obwodu próbkującego 5 i elementu pomiaru temperatury 4, drugą funkcję arytmetyczną, która służy do obliczania szybkości zmiany przez porównanie szybkości wzrostu temperatury ogniwa 2 w pierwszym okresie z szybkością wzrostu temperatury ogniwa 2 w drugim okresie, oraz trzecią fu n k cję, która służy do porównania szybkości wzrostu temperatury ogniwa 2 w drugim okresie z szybkością wzrostu temperatury ogniwa w pierwszym okresie, w celu oceny, czy szybkość wzrostu temperatury ogniwa 2 w drugim okresie przekracza więcej niż dwukrotnie szybkość wzrostu temperatury ogniwa 2 w pierwszym okresie, i wygenerowania, na podstawie tej i oceny, sygnału wyjściowego służącego do odłączenia zasilania ogniwa 2 prądem ładowania.

176 034 11 Urządzenie do szybkiego ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych według wynalazku zawiera dodatkowo element pomiaru napięcia 41 służący do pomiaru napięcia wyjściowego ogniwa 2 i drugi obwód próbkowania 51 służący do pomiaru napięcia ogniwa 2 i przechowywania danych o nim lub przekazywania danych wyjściowych do bloku arytmetycznego 6, przy czym blok arytmetyczny 6 przetwarza dane dotyczące napięcia wyjściowego ogniwa 2 otrzymane z drugiego obwodu próbkującego 51 oraz wykonuje czwartą funkcję arytmetyczną polegającą na obliczeniu szybkości wzrostu napięcia wyjściowego ogniwa 2 na podstawie danych odnoszących się do napięcia wyjściowego ogniwa 2 otrzymanych z drugiego obwodu próbkującego 51 i elementu pomiaru napięcia 41, oraz piątą funkcję, która służy do wykrycia pierwszego spadku szybkości wzrostu napięcia wyjściowego występującego po okresie, w ciągu którego szybkość wzrostu napięcia wyjściowego rosła w sposób ciągły. Blok arytmetyczny 6 poza tym wytwarza na wyjściu sygnał służący do wyłączania dopływu prądu elektrycznego do ładowanego ogniwa 2, na podstawie wynikającej z wykonywania jego trzeciej funkcji informacji o tym, że szybkość wzrostu temperatury ogniwa 2 w drugim okresie przekroczyła bardziej niż dwukrotnie szybkość wzrostu temperatury w pierwszym okresie, oraz generowanej przez jego piątą funkcję informacji o tym, że wykryto pierwszy spadek szybkości wzrostu napięcia wyjściowego. W urządzeniu do szybkiego ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych według wynalazku, wtórne ogniwo elektryczne, to znaczy ogniwo akumulatora niklowo-kadmowego, ładowane jest przez doprowadzenie do niego dużego prądu, przy czym pożądane jest doprowadzanie dużego ładunku elektrycznego o wartości większej od 2C, w odróżnieniu od warunków zasilania prądowego w znanych rozwiązaniach. Bardziej konkretnie, do ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych wykorzystuje się ładunek elektryczny przewyższający wartość 2C, to znaczy odpowiadający 3C, 4C lub 5C. Konieczne jest zatem optymalne doregulowanie wielkości prądu doprowadzanego do ogniwa podczas operacji doładowywania, zależnie od prądów ładowania określonych przez konstrukcję ogniwa, od napięcia wyjściowego i prądu wyjściowego ładowanego akumulatora niklowo-kadmowego oraz od jego różnych parametrów, pojemności resztkowej, histerezy ładowania- rozładowania itp. Dlatego urządzenie do szybkiego ładowania akumulatorów niklowo-kadmowych według wynalazku zawiera dołączony do zasilacza 3 regulator 9 zmiany wielkość ładunku elektrycznego dostarczanego do ogniwa 2. Podczas procesu ładowania mierzy się temperaturę ogniwa 2 akumulatora niklowo-kadmowego za pomocą elementu pomiaru temperatury 4 stanowiącego odpowiedni czujnik termiczny. Przy tym można dokonywać pomiarów jednej z temperatur powierzchniowych (temperatury obudowy ogniwa), temperatury wewnętrznej lub temperatury zacisku ogniwa 2. Odpowiednie rozwiązanie dobiera się zależnie od potrzeb i mierzonej temperatury. Nie ma żadnych ograniczeń w konstrukcji elementu pomiaru temperatury 4 wykorzystywanego do pomiaru temperatury ogniwa 2, a zatem czujnik temperatury 45, na przykład tranzystor NPN lub termistor, może być osadzony na powierzchni korpusu ogniwa 2, z wykorzystaniem na przykład taśmy adhezyjnej 46, jak to pokazano na figurze 10. Przy rozpoczynaniu operacji ładowania przez wstawianie ogniwa do urządzenia ładującego, elektroda dodatnia jest połączona z jednym z zacisków ogniwa 2, a elektroda ujemna - z drugim zaciskiem, jak to pokazano także na fig. 10. Figura 11 przedstawia inny przykład pomiaru temperatury ogniwa 2. W tym przykładzie temperaturę mierzy się na zaciskach wyjściowych ładowanego ogniwa 2. Na fig. 11 zacisk połączeniowy 43 do ładowania, zaopatrzony na przykład w sprężynę, połączony jest z dodatnim zaciskiem 31 ogniwa 2, tak że doprowadza prąd elektryczny podczas operacji ładowania, a zacisk ładujący 42, wykonany z metalu i zaopatrzony także w sprężynę, połączony jest z ujemnym zaciskiem 32, tak że prąd elektryczny płynie z zacisku ujemnego 32 do ziemi. Element pomiaru temperatury 4, pełniący te same funkcje co czujnik 45 opisany powyżej, przymocowany jest do części zacisku ładującego 32 w celu pomiaru temperatury wyjściowego tego zacisku ogniwa 2. Dane o zmierzonej temperaturze przetwarzane są na odpowiednie wartości napięcia i przekazywane do opisanego poniżej bloku arytmetycznego 6. Pożądane jest, aby sygnał wyłączenia prądu ładowania, wytworzony na podstawie piątej funkcji bloku arytmetycznego 6 był przekazywany na zewnątrz tylko wtedy, kiedy spadek

12 176 034 szybkości wzrostu napięcia ogniwa 2 wykryty zostanie przynajmniej kilka razy z rzędu po wykryciu pierwszego spadku szybkości wzrostu napięcia ogniwa 2, w wyniku wykonywania piątej funkcji bloku arytmetycznego 6. Znaczy to, jak to pokazano na fig. 5 i 6, że szybkość wzrostu napięcia ogniwa 2 zwiększa się w sposób ciągły od początku procesu ładowania ogniwa 2 w przybliżeniu do zakończenia procesu ładowania. Zatem wartość zmiany otrzymana przez różniczkowanie zmian poziomu napięcia ogniwa 2 stanowi wartość dodatnią, a szybkość zmian otrzymana przez następne różniczkowanie wynosi zero lub jest dodatnia. Przy dalszym ładowaniu ogniwa 2 do stanu naładowania 100% napięcie nagle odchyla się w stronę spadku. Zatem szybkość wzrostu napięcia nagle osiąga wartość ujemną. Zgodnie z wynalazkiem dokonuje się pomiaru napięcia ogniwa 2, które w sposób ciągły narasta w określonym okresie czasu, i wykrywa się spadek szybkości narastania napięcia występujący po okresie wspomnianego ciągłego jego wzrostu, w celu stwierdzenia, że ogniwo jest naładowane w 100% lub w prawie 100%, i wysłania do obwodu sterującego 8 sygnału służącego do przerwania procesu ładowania oraz uruchomienia elementu wyłączającego 7, powodującego przerwanie dopływu prądu elektrycznego z zasilacza 3 do ogniwa 2. Zmiana poziomu napięcia wyjściowego ogniwa 2 jest ważną informacją, zwłaszcza przy stopniu naładowania ogniwa 2 bliskim 100%. Zatem przy uwzględnieniu powyższego, pożądane jest generowanie sygnału sterującego przerwaniem procesu ładowania nie po pierwszej zmianie szybkości wzrostu napięcia w kierunku ujemnym, lecz wytwarzanie tego sygnału wyłączającego ładowania po dokonaniu jednokrotnego lub dwukrotnego próbkowania dodatkowego i potwierdzeniu zmiany szybkości wzrostu napięcia. Korzystne jest na przykład generowanie sygnału sterującego przerwaniem procesu ładowania po trzykrotnym potwierdzeniu ujemnej zmiany szybkości wzrostu napięcia. Na figurze 12A przedstawiono schemat ideowy bloku arytmetycznego 6, który składa się z pierwszej pamięci 61 przechowywania danych o temperaturze ogniwa 2, pobranych w stałych odstępach czasu za pomocą elementu pomiaru temperatury 4, który służy do pomiaru temperatury ogniwa 2, pierwszego procesora 62 do obliczania średniej wartości temperatury-ogniwa 2 w zadanym okresie czasu z przynajmniej dwóch zestawów danych o temperaturze, pobranych w określonym okresie czasu i przechowywanych w pierwszej pamięci 61, drugiej pamięci 63 przechowywania średniej wartości temperatury ogniwa 2 obliczonej przez pierwszy procesor 62, drugiego procesora 64 obliczania szybkości wzrostu temperatury ogniwa 2 w pierwszym okresie ładowania, na przykład 5 sekund, z danych zapamiętanych w drugiej pamięci 63, w celu określenia stopnia zmiany, wzrostu lub spadku, temperatury ogniwa w sąsiednim zadanym okresie czasu, lub w celu obliczenia szybkości zmiany w ciągu na przykład 5 sekund, na podstawie danych o średniej wartości temperatury ogniwa 2, przechowywanej w drugiej pamięci 63, trzeciego procesora 65 obliczania szybkości wzrostu temperatury ogniwa 2 w drugim okresie, na przykład 5 sekund, po pierwszym okresie, oraz czwartego procesora 66 wykrywania, czy szybkość wzrostu temperatury ogniwa 2 w drugim okresie, otrzymana w trzecim procesorze 65 jest ponad dwa razy większa od otrzymanej w drugim procesorze 64 szybkości wzrostu temperatury ogniwa 2 w pierwszym okresie. W urządzeniu według wynalazku możliwe jest połączenie razem procesorów, drugiego 64 i trzeciego 65. Poniżej opisano procedurę służącą do przeliczania danych pomiarowych. Według wynalazku dokonuje się najpierw pomiaru temperatury ogniwa 2 i steruje się operacją ładowania w sposób opisany poniżej. W odpowiedzi na sygnały zegarowe z obwodu sterującego 8, występujące w określonych odstępach czasu, element pomiaru temperatury 4 mierzy na przykład temperaturę obudowy ogniwa 2 i zapamiętuje ją wstępnie w pierwszej pamięci 61. Przy zastosowaniu odpowiedniego czujnika, na przykład jednego z opisanych powyżej, temperatura ogniwa 2 przetwarzana jest na napięcie, przy czym w trakcie wystąpienia każdego sygnału zegarowego pobierane są dane o temperaturze, a następnie są one przechowywane przez określony okres czasu w pierwszej pamięci 61. Okres sygnału zegarowego odpowiada okresowi próbkowania, przy czym korzystne jest próbkowanie z częstotliwością na przykład 10 lub 50 próbek na sekundę. Pierwsza pamięć 61

ma określoną pojemność i korzystne jest, jeżeli dostosowana jest do zapamiętywania przynajmniej 250 zespołów danych na okres 5 sekund. Następnie, na podstawie danych o temperaturze, zapamiętanych w pierwszej pamięci 61, w określonych odstępach czasu pierwszy procesor 62 oblicza średnie wartości temperatury. Tego rodzaju wartości można otrzymać przez obliczanie wartości średnich (TAV1, TAV2, T A V n ) temperatury ogniwa 2 na podstawie przynajmniej dwóch zespołów danych o temperaturze, otrzymywanych kolejno przez próbkowanie lub też na podstawie uwzględnienia 10 do 50 kompletów danych w określonym okresie czasu, na przykład 5 sekund. Wartości średnie (TAV1, TAV2,... TAVn) temperatury ogniwa 2, obliczone przez pierwszy procesor 62, są wstępnie zapamiętywane w drugiej pamięci 63. Następnie oblicza się stopień zmiany szybkości, wzrostu lub spadku, temperatury ogniwa 2 w sąsiedztwie zadanego okresu czasu, na przykład 5 sekund, na podstawie przechowywanych w drugiej pamięci 63 wartości średnich (TAV1, TAV2,... TAVn) temperatury ogniwa 2. Tak więc szybkości zmian (VT1, VT2) wartości średnich temperatur obliczane są w sposób poniżej opisany przez drugi procesor 64 i trzeci procesor 65 dla wartości średnich TAV1 w pierwszym okresie, to znaczy w ciągu pierwszych 5 sekund wybranego okresu, dla wartości średniej TAV2 w drugim okresie, to znaczy w ciągu 5 sekund po pierwszym okresie, oraz dla wartości średniej TAV3 w trzecim okresie, to znaczy w ciągu 5 sekund po drugim okresie, TAV2 - TAV2 = VT1 TAV3 - TAV2 = VT2 Podobnie oblicza się następnie szybkości zmiany (VT1, VT2) wartości średnich temperatury dla każdego określonego z góry okresu podczas procesu ładowania. W tym przypadku powyższe wartości reprezentują szybkości zmian temperatury w ciągu 5 sekund i mogą być wykorzystywane bezpośrednio w charakterze wartości zmiany. Może ona być jednak wyrażona jako szybkość zmiany w jednostce czasu, na przykład jako szybkość zmiany na sekundę, w sposób następujący: VT1/5 = Rv t 1 VT2/5 = Rv t 2 176034 13 Następnie czwarty procesor 66 oblicza i wykrywa zależności między szybkością wzrostu temperatury Rvt2 w drugim okresie, otrzymaną w trzecim procesorze 65, i prędkości przyrostu temperatury VT1 lub Rvt1ogniwa w pierwszym okresie, otrzymane w drugim procesorze 64. Przy tym, w przypadku opisanego powyżej rozwiązania, doświadczalnie potwierdzono, że temperatura akumulatora niklowo-kadmowego podczas procesu ładowania wzrasta nagle przy osiągnięciu stopnia naładowania w przybliżeniu 100%. To znaczy, jeżeli proces ładowania nie zostanie przerwany dzięki możliwie wczesnemu wykryciu tego stanu, to ogniwo zostanie uszkodzone lub zmniejszy się jego sprawność. Zatem w sposób wspomniany powyżej kontroluje się szybkość wzrostu temperatury ogniwa 2, stwierdza się, że stopień naładowania ogniwa 2 zbliża się do wartości 100%, jeżeli mierzona ciągle szybkość wzrostu temperatury ogniwa 2 jest większa od dwukrotnej wartości szybkości wzrostu temperatury ogniwa 2 zmierzonej w okresie poprzednim, i wytwarza się sygnał sterujący służący do przerwania procesu ładowania. Konkretnie, czwarty procesor 66 ocenia, czy szybkość wzrostu temperatury VT2 lub Rvt2 ogniwa 2 w drugim okresie jest co najmniej dwa razy większa od szybkości wzrostu temperatury VT1 lub R vt1ogniwa 2 w pierwszym okresie, to znaczy, czy 2VT1 < VT2- Według wynalazku podczas procesu szybkiego ładowania, poza opisanym powyżej przetwarzaniem arytmetycznym danych dotyczących temperatury, mierzy się dodatkowo napięcie wyjściowe ogniwa 2, a przerwanie procesu ładowania odbywa się z uwzględnieniem również szybkości wzrostu temperatury. Przetwarzania danych dotyczących napięcia względnie temperatury dokonuje się w bloku podobnym do wspomnianego bloku arytmetycznego 6. Zatem ten podobny blok arytmetyczny, przedstawiony na figurze 12B, nie jest szczegółowo opisany, lecz

14 176 034 opisane są tylko jego elementy przeznaczone w szczególności do przetwarzania danych dotyczących napięcia wyjściowego ogniwa 2. Czujnik pomiaru napięcia, który jest elementem pomiaru napięcia 41, zainstalowany jest na zacisku ogniwa 2. Jak w przypadku pomiaru temperatury, element pomiaru napięcia 41 mierzy napięcie wyjściowe ogniwa 2 występujące w zadanych odstępach czasowych, w odpowiedzi na sygnały zegarowe z bloku sterującego 8, a dane są wstępnie zapamiętywane w trzeciej pamięci 61'. Przy tym procedura przetwarzania danych, aż do siódmego procesora 65', jest taka sama, jak opisana procedura przetwarzania danych dotyczących temperatury. Średnie wartości V A V 1, V A V 2,... VVn napięcia wyjściowego ogniwa 2 obliczane są na podstawie danych napięciowych a zmiana tych wartości napięcia w pierwszym i drugim okresie pomiarowym wyliczana jest w sposób następujący: VAV2 - VAV1 = VV1 VAV3 - VAV2 = VV2 Podobnie, w miarę potrzeby oblicza się wartości (VV1, VV2) zmiany temperatury: VV1/5 = Rvv1 VV2/5 = Rvv2 Następnie ósmy procesor 66' wyznacza zależność między szybkością wzrostu napięcia VV1 lub RVV2 ogniwa 2 w drugim okresie, otrzymaną w siódmym procesorze 65' w odniesieniu do szybkości przyrostu napięcia VV1 lub 1Rvv1 ogniwa 2 w pierwszym okresie, otrzymaną w szóstym procesorze 64'. Znaczy to, że w sposób opisany powyżej, napięcie akumulatora niklowo-kadmowego we wstępnym etapie ładowania łagodnie wzrasta w miarę upływu czasu ładowania i, jak stwierdzono doświadczalnie, napięcie wzrasta nagle przy zbliżaniu się do stanu naładowania 100%, a następnie nagle spada przy osiągnięciu naładowania 100% lub bardzo bliskiego 100%. Przy wykryciu tego stanu możliwie szybko należy dokonać przerwania procesu ładowania. W tym celu, jak to opisano powyżej, kontroluje się zmiany szybkości wzrostu napięcia ogniwa 2 i zakłada się, że stopień naładowania 100% lub bliski 100% występuje, kiedy napięcie po raz pierwszy zaczyna spadać, to znaczy kiedy szybkość wzrostu wykazuje wartość ujemną, po okresie, w którym szybkość wzrostu napięcia rosła w sposób ciągły w danym okresie procesu ładowania, i na tej podstawie wytwarza się sygnał sterujący przerwaniem procesu ładowania. Zatem określa się, czy szybkość wzrostu napięcia, VV2 lub Rv2 ogniwa 2 w drugim okresie spełnia następującą zależność w stosunku do szybkości wzrostu napięcia VV1 lub Rv1ogniwa 2 w pierwszym okresie: VV2 - VV1 < 0 Poza tym sygnał sterujący wyłączeniem procesu ładowania może być wytwarzany po prostu na podstawie wyniku powyższego przetwarzania arytmetycznego. Jednak korzystniej jest, jeżeli sygnał sterujący przerwaniem procesu ładowania wytwarzany jest po kilkakrotnej kontroli napięcia wyjściowego, przy ciągłym przetwarzaniu arytmetycznym i po potwierdzeniu, że obniżenie napięcia się utrzymuje. Figury 13 do 18 przedstawiają wykresy zmiany napięcia akumulatora niklowo-kadmowego przy jego ładowaniu w odniesieniu do ich zmian przy ładowaniu akumulatora niklowo-kadmowego znanym sposobem. W szczególności fig. 13 przedstawia wykres zmian temperatury ogniwa akumulatora niklowo-kadmowego przy jego szybkim ładowaniu dużym ładunkiem elektrycznym wynoszącym 3C, według wynalazku, a fig. 14 przedstawia wykres zmian napięcia. Z kolei fig. 15 przedstawia wykres szybkiego ładowania akumulatora niklowo-kadmowego ładunkiem elektrycznym o wartości 5C według wynalazku. Przy konwencjonalnej procedurze ładowania, jak to widać na rysunku, na doprowadzenie ogniwa do stanu pełnego naładowania potrzeba przynajmniej 40 minut. Ponadto, nawet kiedy stan naładowania akumulatora niklowo-

176 034 15 kadmowego zbliża się do 100%, to szybkość zmian temperatury i napięcia ogniwa 2 jest stosunkowo niewielka i nie jest możliwe precyzyjne i szybkie określenie momentu przerwania procesu ładowania. Poza tym, przy konwencjonalnym sposobie ładowania pożądane byłoby doprowadzenie do 100% naładowania ogniwa w ciągu mniej niż 20 minut, a korzystnie poniżej 10 minut. W tym okresie jednakże nie są możliwe do rozpoznania żadne wyraźne zmiany charakterystyki i w związku z tym nie ma kryteriów do stwierdzenia, czy proces ładowania powinien być kontynuowany, czy zostać przerwany. Według wynalazku możliwe jest osiągnięcie stopnia naładowania 100% w ciągu 20 minut, a nawet w ciągu 14 minut przy szybkości ładowania ładunkiem elektrycznym o wartości 4C lub 5C. Tablice 1 do 3 przedstawiają wartości temperatury i napięcia mierzone podczas praktycznie przeprowadzonych operacji ładowania ogniwa, które posłużyły za podstawę dla charakterystyk przedstawionych na figurach 13 do 18. W tablicy 1 zamieszczono wyniki ładowania akumulatora niklowo-kadmowego, model KR-1200AE, produkcji Sanyo Denki Co., ładowanego ładunkiem elektrycznym o wartości 1,5 C, który stosowany jest przy konwencjonalnym sposobie ładowania, temperaturę i napięcie mierzono z częstotliwością 50 próbek na sekundę, a pobrane dane przedstawiono w postaci wartości średnich dla każdych 5 sekund. Tablice 2 i 3 przedstawiają takie same dane pomiarowe, jak zamieszczone w tablicy 1, lecz dla akumulatora model P6OAARM produkcji Matsushita Denko Co., ładowanego ładunkiem elektrycznym o wartości odpowiednio 3C i 5C. Figury 19 do 21 przedstawiają wykresy otrzymane przez wyliczenie szybkości wzrostu temperatury i napięcia, otrzymywanych z danych z tablic 1 do 3, w oparciu o wspomniane powyżej określenia. Figura 19 przedstawia wykres otrzymany przez obliczenie szybkości wzrostu temperatury i napięcia na podstawie danych z tablicy 1, z których widać, że szybkość przyrostów temperatury i napięcia prawie się nie zmienia, lecz równomiernie rośnie z tą sama szybkością, aż do czasu ładowania zbliżonego do 40 minut, a szybkość wzrostu temperatury nieco się zwiększa przy czasie ładowania dochodzącym do 40 minut. Jeżeli chodzi o napięcie, to szybkość jego wzrostu zwiększa się w przybliżeniu równomiernie przed przekroczeniem czasu ładowania 40 minut, lecz po przekroczeniu czasu ładowania 40 minut szybkość wzrostu napięcia nagle spada. Z drugiej strony, figura 20 przedstawia wykres dla rozwiązania według wynalazku, otrzymany przez obliczenie szybkości przyrostu temperatury i napięcia na podstawie danych z tablicy 2, a figura 21 wykres otrzymany przez obliczenie szybkości przyrostów temperatury i napięcia na podstawie danych z tabl. 3, z których widać, że szybkość wzrostu temperatury zwiększa się zauważalnie w ciągu 20 minut, a szybkość wzrostu napięcia zmniejsza się gwałtownie przy osiąganiu stopnia naładowania wynoszącego 100%. Na figurze 22 przedstawiono sieć działań w sekwencji czynności sposobu według wynalazku. Po starcie, w etapie (1) następuje sprawdzenie parametrów akumulatora niklowo-kadmowego i ustalenie warunków wstępnych ładowania akumulatora niklowo-kadmowego. Korzystne jest, jeżeli akumulator niklowo-kadmowy ładowany jest w zakresie temperatury od -10 do +45 C. Zatem na początku dokonuje się pomiaru temperatury w celu określenia, czy środowisko termiczne jest ustabilizowane, czy nie, a zatem czy ustabilizowana jest temperatura otoczenia, a następnie ustala się warunki środowiskowe tak, aby operację ładowania można było wykonać w normalnych warunkach. Następnie w etapie (2) określa się, czy osiągnięto warunki środowiskowe niezbędne dla operacji ładowania, czy nie. Jeżeli odpowiedź jest negatywna, to następuje powrót do etapu (1), a jeżeli odpowiedź jest pozytywna, to przechodzi się do wykonywania etapu (3), w którym następuje ocena, czy zadany jest okres próbkowania zarówno dla temperatury, jak i napięcia, to znaczy pomiaru nie tylko temperatury akumulatora niklowo-kadmowego. Jeżeli nie, to powraca się do etapu (1) w celu powtórzenia powyższych operacji. Jeżeli odpowiedź jest pozytywna, to przechodzi się do etapu (4), w którym mierzy się temperaturę i/lub napięcie akumulatora niklowo-kadmowego, zgodnie z sygnałami zegara nadawanymi synchronicznie z okresami

16 176 034 próbkowania. Dane pomiarowe odnoszące się do temperatury i napięcia są wstępnie zapamiętywane w pamięci znajdującej się na przykład w obwodach próbkujących lub pamięci bloku arytmetycznego 6. Następnie w etapie (5) stwierdza się, czy upłynął zadany czas ładowania, na przykład, czy minęło 5 sekund. Jeżeli nie, to następuje powrót do etapu (4), jeżeli natomiast tak, to przechodzi się do etapu (6), w którym następuje obliczenie wartości przeciętnych danych odnoszących się do temperatury i napięcia, pomierzonych w ciągu 5 sekund. Tak więc, oblicza się średnie wartości (TAV1, TAV2,... TVn) temperatury ogniwa 2 i średnie wartości (VAV1, VAV2,... VVn) napięcia ogniwa 2 w ciągu 5 sekund i zapamiętuje się je w drugiej pamięci 63. Następnie przechodzi się do etapu (7), w którym następuje obliczenie zmiany średnich wartości temperatury i napięcia w sąsiedztwie danego okresu, przy wykorzystaniu średnich wartości obliczonych w etapie (6). Zatem dla temperatury oblicza się zmianę (VTi, VT2) średnich wartości temperatury w odniesieniu do średniej wartości TAV1 w pierwszym okresie, to znaczy w ciągu pierwszych 5 sekund, dla średniej wartości TAV2 w drugim okresie trwającym następne 5 sekund po pierwszym okresie i dla średniej wartości TAV3 w trzecim okresie, trwającym 5 sekund po drugim okresie, to znaczy, TAV2 - TAV1= VT1 TAV3 - TAV2 = VT2 a wyniki przechowywane są w trzecim procesorze 65. W przypadku napięcia oblicza się szybkość zmiany (VV1, VV2) średniej wartości temperatury w odniesieniu do średniej wartości VAV1 w pierwszym okresie, dla średniej wartości VAV2 w drugim okresie i dla średniej wartości VAV3 w trzecim okresie, to znaczy, VAV2 - VAV1 = VV1 VAV3 - VAV2 =VV2 a wyniki również przechowywane są w trzecim procesorze 65. Następnie następuje przejście do etapu (8), w którym określa się, czy obliczone dane odnoszą się do temperatury, czy nie. Jeżeli tak, to przechodzi się do etapu (9), w którym następuje określenie, czy szybkość wzrostu temperatury się zwiększyła, czy nie. Jeżeli nie, to powraca się do etapu (8), a jeżeli tak, to przechodzi się do etapu (10), w którym określa się, czy szybkość wzrostu temperatury ogniwa 2 jest większa od dwukrotnej wartości szybkości wzrostu temperatury ogniwa zmierzonej w okresie poprzednim. Jeżeli tak, to przechodzi się do etapu (11), w którym następuje wytworzenie sygnału sterującego, informującego o konieczności przerwania procesu ładowania, a w etapie (16) następuje właściwe przerwanie procesu ładowania. Jeżeli jednak odpowiedź była negatywna, to powraca się do etapu (9) powtarzając wspomniane etapy operacji. Jeżeli w etapie (8) odpowiedź jest negatywna, to przechodzi się do etapu (13), w którym określa się, czy szybkość wzrostu napięcia zmniejsza się bezpośrednio po okresie, w którym narastała w sposób ciągły. Jeżeli odpowiedź jest negatywna, to powraca się do etapu (8), natomiast przy odpowiedzi pozytywnej przechodzi się do etapu (14), w którym następuje ocena, czy spadek szybkości wzrostu napięcia został stwierdzony trzy razy z rzędu. Jeżeli nie, to powraca się do etapu (13) w celu powtórzenia wymienionych powyżej etapów, a jeśli tak, to przechodzi się do etapu (15), w którym następuje wytworzenie sygnału sterującego informującego o konieczności przerwania procesu ładowania i przechodzi się do etapu (12). Etap (12) jest zestawiony tak, aby umożliwić ewentualne przejście sygnału wejściowego z etapu (11), informującego o zmianie szybkości wzrostu temperatury oraz wytworzenie wyjściowego sygnału sterującego służącego do przerwania procesu ładowania, wytworzonego na podstawie sygnału z etapu (15), który stwierdza zmianę napięcia. Figura 23 przedstawia schemat elektryczny urządzenia według wynalazku, które przeznaczone jest do szybkiego ładowania wtórnych źródeł napięcia, z szybkością ładowania ładunkiem

176 034 17 elektrycznym o wartości przekraczającej 2C. Urządzenie mierzy napięcie akumulatora i/lub temperaturę oraz steruje dopływem prądu do akumulatora zgodnie z zadanymi parametrami zapewniając wyświetlanie w czasie rzeczywistym napięcia i temperatury akumulatora. Urządzenie działa w sposób następujący. Ogniwo 2 jest ładowane prądem dostarczanym przez tranzystor mocy MOSFET Q 1za pośrednictwem rezystora R 1. Element pomiaru temperatury 4, którym jest tutaj termistorowy czujnik temperatury RT1, połączony z obudową ogniwa 2, daje sygnał wyjściowy Tsense odnoszący się do temperatury ogniwa 2. Sygnał Tsense zostaje wzmocniony we wzmacniaczu operacyjnym U1. Czujnik temperatury RT1 wraz z rezystorem R2 stanowi dzielnik napięcia, w którym wartość rezystancji czujnika RT1 zmienia się zależnie od zmian temperatury ogniwa 2. Pierwszy kanał ADO dziesięciokanałowego przetwornika analogowo-cyfrowego U2 otrzymuje wejściowy sygnał elektryczny reprezentujący napięcie ogniwa 2. Drugi kanał AD1 otrzymuje wzmocniony, reprezentujący temperaturę, sygnał wyjściowy wzmacniacza analogowego U1. Pozostałe kanały przetwornika analogowo-cyfrowego U2 nie są wykorzystywane. Przetwornik analogowo-cyfrowy U2 przetwarza sygnały wejściowe z postaci analogowej do postaci cyfrowej, odpowiedniej dla wejścia scalonego układu przetwarzania sygnału U 3, który odpowiada blokowi arytmetycznemu 6 i obwodowi sterującemu 8 z fig. 9 i zawiera własne pamięci RAM i ROM oraz porty wejściowe/wyjściowe. Układ przetwarzania sygnału U 3 jest zaopatrzony w program stały służący do odczytu wejściowych sygnałów danych z przetwornika analogowo-cyfrowego U2, do przetwarzania danych i sterowania tranzystorem MOSFET Q1, w sposób opisany poniżej. W tym wykonaniu pamięć omawiana w odniesieniu do fig. 6 lub 12 są w całości zawarte w scalonym układzie przetwarzania sygnału U3. Układ przetwarzania sygnału U 3 wysyła również sygnały do wyświetlania aktualnych danych cyfrowych odnoszących się do napięcia i temperatury ogniwa 2 na wyświetlaczu 100. Stabilizator napięcia stałego U 4 dostarcza stabilizowanego sygnału napięciowego do obwodu mocy. Tranzystor PNP Q2, stanowiący element wyłączający 7 z fig. 9, doprowadza napięcie do zacisku wejściowego + V in ze stabilizatora napięcia U 4, kiedy ogniwo 2 jest dołączone, i odłącza napięcie, kiedy ogniwa 2 nie ma. Poniższa tablica stanowi wykaz elementów elektronicznych układu przedstawionego na fig. 23 i opisanego poniżej: Oznaczenie Opis Q1 Q 2 RT1 Tranzystor ster. MOSFET mocy IRF35 Tranzystor PNP 2N3906 Motorola Termistor 192-303KET-A01 Fenwal R1 5 Ω 25 W, 10% R 2 30 kω 1/4 W R3 10 kω 1/4 W R 4 10 kω 1/4 W R 5 10 kω 1/4 W R 6 510 Ω 1/4 W R7 100 Ω 1/4 W

18 176 034 R8 1 0 kω 1/4 W R 9 1 Μ Ω 1/4 W C1 Kondensator elektrolit. 1μF/35 V C2 Kondensator elektrolit. 22pF/35 V C3 Kondensator elektrolit. 22pF/35 V C4 Kondensator elektrolit. 10μF/35 V C5 Kondensator elektrolit. 1μF/35 V C6 Kondensator elektrolit. 0, 1μF/35 V U 1 Wzmacniacz operacyjny μα741 Motorola U2 Przetwornik A/C 145051 Motorola U3 Mikroprocesor 68HC705C8 Motorola U4 Stabilizator napięcia LM7805 Motorola 1 0 0 Wyświetlacz LCD: DMC16230 Optrex Poniżej opisano, w odniesieniu do figur 24 do 26, inne szczegóły wykonania urządzenia według wynalazku. Figura 24 przedstawia schemat elektryczny części zasilającej urządzenia według wynalazku. Odnośnikiem 122 oznaczono zacisk wejściowy ładowanego ogniwa 2 a przez 121 oznaczono zacisk uziemienia. Odnośnikiem 123 oznaczono zacisk, do którego dołączony jest dodatni zacisk 127 elementu pomiaru temperatury 4 ogniwa 2, a odnośnikiem 125 oznaczono ujemny zacisk elementu pomiaru temperatury 4, połączony z zaciskiem uziemiającym 121 ogniwa 2, który przyłączony jest do zacisku uziemionego 133 o niskim potencjale. Ponadto do zacisków wejściowych, dodatniego i ujemnego, 122 i 121, są dołączone zaciski dodatni i ujemny 124 i 126 elementu 5 pomiaru napięcia 41, który mierzy napięcie wyjściowe ogniwa 2. Poza tym do dodatniego wejściowego zacisku napięciowego 122 dołączone jest wyjście układu sterowania 103 zasilaczem 3, które połączone jest z górnym zaciskiem 132 źródła zasilania. Układ sterowania 103 źródłem napięciowym składa się z dwóch tranzystorów Q3 i Q4 oraz rezystorów R10, R11. Tranzystory Q3 i Q4 pracują jako klucze służące do przerywania dopływu prądu ładowania do ogniwa, zależnie od danych z pomiaru temperatury i napięcia ogniwa, co jest opisane poniżej. Odnośnikiem 101 oznaczono układ generacji sygnału zegarowego, wykonany z wykorzystaniem układu scalonego NE555 i wytwarzający impulsy zegarowe o zadanym wypełnieniu, wychodzące z jego zacisku wyjściowego 126. Sygnałami zegarowymi układu 101 są impulsy o czasie trwania 0,5 s występujące co każde 5 s, czyli impulsy z częstotliwością wynoszącą na przykład 0,2 Hz, o wypełnieniu wynoszącym 5% (5%/95%). Na figurze 25 przedstawiono schemat elektryczny układu pomiaru temperatury i bloku arytmetycznego w urządzeniu według wynalazku. Dane napięciowe z elementu pomiaru temperatury 4 dołączonego do ogniwa 2, uzyskane z zacisków 127 i 125, dostosowywane są do zadanego poziomu napięcia za pomocą bufora napięciowego 140, składającego się ze wzmacniaczy operacyjnych U14 i U6 oraz podawane są następnie jako dane wejściowe do obwodu 150 przetwarzania danych, w którego skład wchodzi pierwsza pamięć 61, który przechowuje dane o pomiarach temperatury i napięcia, pierwszy procesor 62 który oblicza wartość średnią na

176 034 19 podstawie odnoszących się do temperatury i napięcia danych zapamiętanych w pierwszej pamięci 61 w zadanym okresie czasu, na przykład pięciu sekund, oraz druga pamięć 63, która przechowuje wartość średnią dla każdego zadanego okresu czasu, obliczoną przez blok 62 przetwarzania arytmetycznego. Wspomniany sygnał zegarowy z układu 101 generacji sygnału zegarowego z fig. 24, poprzez zacisk 126, dochodzi do układu 160 przeładowania, który zawiera przekaźnik K1, i dalej wprowadzany jest do wspomnianej pamięci 63. Układ 160 przeładowania jest zbudowany z przekaźnika K 1, normalnie rozwartego i utrzymywanego w stanie wyłączenia, kiedy nie podaje się na niego impulsu. Ponieważ doprowadzany jest sygnał zegarowy, powodując generowanie impulsu raz na pięć sekund, pierwsza dana średnia T AV1 dotycząca średnich wartości temperatury lub napięcia w każdych pięciu sekundach, obliczona arytmetycznie i zapamiętana w drugiej pamięci 63 stanowi sygnał wyjściowy, synchroniczny z sygnałem zegarowym i podawana jest na wejście układu arytmetycznego 151, stanowiącego drugi procesor 64, zbudowanego na bazie wzmacniacza operacyjnego U 9. W tym momencie, jeżeli włączony zostaje układ 160 przeładowania, to wartość średnia TAV1 przechodzi przez układ 160 przeładowania i zapamiętywana jest w pamięci tymczasowej 152 utworzonej przez wzmacniacze różnicowe U 7, U8 i kondensator C9. Sygnał wyjściowy pamięci tymczasowej 152 jest sygnałem wejściowym dochodzącym do nieodwracającego zacisku wejściowego wzmacniacza różnicowego U9 w układzie arytmetycznym 151, gdzie następuje obliczenie różnicy sygnału wejściowego drugiej pamięci 63 i sygnału wejściowego na zacisku odwracającym. Po wyłączeniu sygnału zegarowego, układ 160 przeładowania zostaje wyłączony, a dane odnoszące się do temperatury T A V 1, to znaczy sygnał wyjściowy, zapamiętywane są w pamięci tymczasowej 152. Następnie, po przyjściu drugiego impulsu zegarowego, druga wartość średnia TAV2 z drugiej pamięci 63 stanowi daną wejściową do drugiego układu arytmetycznego 151, i obliczona zostaje różnica T A V 2 - TAV1 odnosząca się do danych o temperaturze T A V 1, zapamiętanych w układzie pamięci tymczasowej 152 i określa się szybkość zmiany temperatury w pierwszym okresie. Równocześnie dane dotyczące temperatury w poprzednim okresie, zapamiętane w pamięci tymczasowej 152, zastępowane są nową wartością średnią TAV2. Również, kiedy na wejściu występuje następny impuls zegarowy, w podobny sposób na wejście podawana jest wartość średnia TA V 3 z drugiej pamięci 6 3 do drugiego układu arytmetycznego 151 i obliczana jest różnica T A V 3 - TAV2 na podstawie danych o temperaturze T RV2 przechowywanych w pamięci tymczasowej 152, w celu wyznaczenia szybkości zmian w drugim okresie. Tak więc w tym wykonaniu drugi procesor 64 i trzeci procesor 65 dokonują przetwarzania arytmetycznego we wspólnym układzie arytmetycznym 151. Sygnał wyjściowy (TAV2 - T A V 1) drugiego układu arytmetycznego 151 stanowi sygnał wejściowy bufora 153, w skład którego wchodzi wzmacniacz operacyjny U 10, i następnego układu arytmetycznego 155 stanowiącego czwarty procesor 66 według wynalazku, wykonanego na wzmacniaczu operacyjnym U13. Sygnał wyjściowy (TAV2 - TAV1) drugiego układu arytmetycznego 151 wchodzi do bufora 153 i za pośrednictwem układu 160 przeładowania przekazywany jest do zapamiętania w oddzielnej pamięci tymczasowej złożonej ze wzmacniaczy różnicowych U11, U12 i kondensatora C10. Przy ustawieniu wzmocnienia bufora 153 na wartość 2, sygnał wyjściowy odnoszący się do temperatury z bufora 153 ma wartość 2 x (T A V 2 - T A V 1). Zatem dana odnosząca się do szybkości zmian temperatury w pierwszym okresie, zapamiętana w oddzielnej pamięci tymczasowej 154 przyjmuje wartość 2 x (T A V 2 - TAV1). Poza tym ten sygnał wyjściowy stanowi sygnał wejściowy dla odwracającego zacisku wejściowego układu arytmetycznego 155, służącego do obliczania różnicy względem szybkości zmian temperatury w następnym okresie, wyrażonej w sygnale wyjściowym drugiego okresu, z drugiego układu arytmetycznego 151.

20 176 034 Tak więc układ arytmetyczny 155 dokonuje przetwarzania arytmetycznego, to znaczy (TAV3 - T A V 2) < 2 (T A V 2 - TAV1) > 0 Znaczy to, że czwarty procesor 66 wytwarza na wyjściu napięcie dodatnie i, jeżeli szybkość zmian temperatury w drugim okresie zwiększy się znacznie przekraczając dwukrotnie szybkość zmian temperatury w pierwszym okresie, otrzymaną przez próbkowanie 5 sekund wcześniej, to na tej podstawie stwierdza się, że stopień naładowania akumulatora niklowo-kadmowego dochodzi do 100% i proces ładowania zostaje przerwany. Zatem we wspomnianych warunkach sygnał wyjściowy z czwartego procesora 66 stanowi, przekazywany z zacisku wyjściowego 156 do zacisku wejściowego 131 układu sterowania 103 zasilacza mocy z fig. 24, sygnał wejściowy służący do wyłączenia tranzystora Q3 w układzie sterowania 103 zasilacza, i przerwania dopływu prądu z zasilacza 132 do ogniwa 2. Figura 26 przedstawia schemat elektryczny układu pomiaru napięcia i jego bloku arytmetycznego w urządzeniu według wynalazku. Konstrukcja układu do pomiaru napięcia jest w zasadzie taka sama, jak omówionego układu do pomiaru temperatury. Dane napięciowe z elementu pomiaru napięcia 41 dołączonego do ogniwa 2, uzyskane z zacisków 124 i 126, sprowadzane są do zadanego poziomu za pomocą bufora napięciowego 141, w skład którego wchodzi wzmacniacz operacyjny U 15, i stanowią dane wejściowe do układu przetwarzania danych 150 składającego się z pierwszej pamięci 61, która zapamiętuje dane próbek napięcia wykorzystywanych w sposobie według wynalazku, pierwszego procesora 62, który oblicza wartości średnie danych w zadanym okresie czasu, na przykład w ciągu 5 sekund, dla danych odnoszących się do napięcia, zapamiętanych w pierwszej pamięci 61, i w drugiej pamięci 63, i który zapamiętuje wartości średnie każdego z zadanych okresów, obliczone w pierwszym procesorze 62. Z drugiej strony, wyjściowy sygnał zegarowy z układu 101 generacji sygnału zegarowego, z fig. 24, jako sygnał wejściowy doprowadzany jest do zacisku 126 układu 160 przeładowania, w skład którego wchodzi przekaźnik, oraz do drugiej pamięci 63. Układ 160 przeładowania, zawierający przekaźnik K1, jest normalnie wyłączony i pozostaje w stanie wyłączenia, kiedy nie dochodzą do niego impulsy wejściowe. Po doprowadzeniu sygnału zegarowego składającego się z impulsów występujących co 5 sekund, pierwsza dana średnia V A V 1, odnosząca się do wartości średnich napięć w okresie każdych 5 sekund, obliczonych arytmetycznie i zapamiętanych w drugiej pamięci 63, wyprowadzana jest synchronicznie z sygnałami zegarowymi i stanowi sygnał wejściowy układu arytmetycznego 151, stanowiącego drugi procesor 64 według wynalazku, zbudowany na wzmacniaczu operacyjnym U 9. W tym momencie, jeżeli układ 160 przeładowania został włączony, to średnie dane V A V 1 przechodzą przez układ 160 przeładowania i zapamiętywane są w pamięci tymczasowej 152, składającej się z wzmacniaczy operacyjnych U 7, U8 i kondensatora C9. Sygnał wyjściowy pamięci tymczasowej 152 doprowadzany jest jako sygnał wejściowy do nieodwracającego zacisku wejściowego wzmacniacza różnicowego U 9 w bloku arytmetycznym 151, w którym następuje obliczenie różnicy sygnału wyjściowego drugiej pamięci 63 i sygnału wejściowego na zacisku odwracającym. Po wyłączeniu sygnału zegarowego, układ 160 przeładowania zostaje wyłączony, a dane odnoszące się do napięcia V A V 1, to znaczy sygnał wyjściowy, zapamiętywane są w pamięci tymczasowej 152. Następnie, po przyjściu drugiego impulsu zegarowego, druga wartość średnia VAV2 drugiej pamięci 63 przechodzi jako dana wejściowa do drugiego układu arytmetycznego 151, w którym obliczona zostaje różnica V A V 2 - V A V 1 odnosząca się do danych o napięciu V A V 1, zapamiętanych w układzie pamięci tymczasowej 152 i określa się szybkość zmiany temperatury w pierwszym okresie. Równocześnie dane dotyczące temperatury w poprzednim okresie, zapamiętane w pamięci tymczasowej 152 zastępowane są nową wartością średnią VAV2 Również, kiedy na wejściu występuje następny impuls zegarowy, w podobny sposób na wejście podawana jest wartość średnia V A V 3 z drugiej pamięci 63 do drugiego układu arytmety-

176 034 21 cznego 151 i obliczana jest różnica VAV3 - VAV2 na podstawie danych o napięciu VRV2 przechowywanych w pamięci tymczasowej 152, w celu wyznaczenia szybkości zmian w drugim okresie. Sygnał wyjściowy (V A V 2 - V A V 1) drugiego układu arytmetycznego 151 stanowi sygnał wejściowy bufora 153, w skład którego wchodzi wzmacniacz operacyjny U10, i układu arytmetycznego 155 stanowiącego wykonany na wzmacniaczu operacyjnym U13 czwarty procesor 66 według wynalazku. Sygnał wyjściowy (V A V 2 - V A V 1) drugiego układu arytmetycznego 151 wchodzi do bufora 153 i za pośrednictwem włączonego układu 160 przeładowania przekazywany jest do zapamiętania w oddzielnej pamięci tymczasowej 154 złożonej ze wzmacniaczy operacyjnych U11, U12 i kondensatora C 10. Poza tym ten sygnał wyjściowy stanowi sygnał wejściowy dla odwracającego zacisku wejściowego układu arytmetycznego 155, służącego do obliczania różnicy względem szybkości zmian napięcia w następnym okresie, wyrażonej w sygnale wyjściowym drugiego okresu, z układu arytmetycznego 153. Tak więc układ arytmetyczny 155 dokonuje przetwarzania arytmetycznego, to znaczy, (VAV3 - VAV2) - (VAV2 - VAV1) > 0 Znaczy to, że czwarty procesor 66 wytwarza na wyjściu napięcie dodatnie i, jeżeli szybkość zmian napięcia w drugim okresie stanie się mniejsza od szybkości zmian napięcia w pierwszym okresie, otrzymanej przez próbkowanie 5 sekund wcześniej, i daje wynik ujemny, to na tej podstawie stwierdza się, że stopień naładowania ogniwa 2 dochodzi do 100%. Następnie proces ładowania zostaje przerwany, kiedy układ logiczny AND 161 wskaże, że wystąpiły zarówno powyżej omówione dane, jak i dane z elementu pomiaru temperatury 4. Zatem we wspomnianych warunkach sygnał wyjściowy z czwartego procesora 66 stanowi, przekazywany z zacisku wyjściowego 157 do zacisku wejściowego 130 układu sterującego 103 zasilacza mocy z fig. 24, sygnał wejściowy służący do wyłączenia tranzystora Q3 w układzie sterującym 103 zasilacza, i przerwania dopływu prądu z zasilacza 132 do ogniwa 2. W tym celu, jak to pokazano na fig. 24, korzystne jest, jeżeli zacisk wejściowy 131 układu sterującego 103 zasilacza, do którego dołączony jest zacisk wejściowy 156 służący do pomiaru temperatury, jest połączony z tranzystorem Q3 układu sterującego 103 zasilacza za pośrednictwem odpowiedniego układu wyboru rodzaju pracy, a zacisk wejściowy 131 układu sterującego 103 zasilacza, do którego dołączony jest zacisk wejściowy układu pomiaru napięcia i zacisk wejściowy 130 układu sterującego 103 zasilacza, do którego dołączony jest zacisk wyjściowy 157 pomiaru temperatury, są obydwa dołączone do układu logicznego AND 161 i połączone z tranzystorem w układzie sterowania 103 zasilacza, za pośrednictwem układu wyboru rodzaju pracy 162. Elementy wykorzystane w układach z fig. 24 do 26 wyszczególnione są dokładnie poniżej. W układzie z fig. 24: C7 C8 10 μf 0,1 μf Q4 tranzystor NPN Q3 Q4 R 10 tranzystor 2N4403 tranzystor 2N3055 57 6 kω