CH633134A5

CH633134A5 - Circuit arrangement for charging a rechargeable battery

Info

Publication number: CH633134A5
Application number: CH789478A
Authority: CH
Inventors: Hans-Dietrich Girle; Rolf Reuber
Original assignee: Int Standard Electric Corp
Priority date: 1977-07-26
Filing date: 1978-07-21
Publication date: 1982-11-15
Also published as: DE2733594A1; DE2733594B2; FI67000C; FR2399149B1; FI67000B; DE2733594C3; FR2399149A1; FI782329A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Weise insbesondere erreicht, dass jede in das Ladegerät einge-

Laden einer wiederaufladbaren Batterie gemäss dem Oberbe- 65 setzte Batterie zunächst an einen einmaligen Schnelladevorgriff des ersten Anspruchs. gang angeschlossen wird. Der Schnelladestrom kann unabhän-

Eine derartige Schaltungsanordnung ist beispielsweise aus gig von einem zulässigen Nachladestrom oder Ladeerhaltungs-der DT-AS 22 55 894 bekannt. ström auf den höchstzulässigen Ladestrom eingestellt werden.

Damit ist die wiederaufladbare Batterie in kürzeste Zeit wieder betriebsbereit und wird durch einen geeigneten, gegenüber dem Schnelladestrom um ein Vielfaches kleineren Ladeerhaltungsstrom für eine beliebig lange Zeit im voll geladenen Zustand betriebsbereit gehalten.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Laden wiederaufladbarer Batterien in einer schematischen Blockdarstellung,

Fig. 2 zwei Spannungsdiagramme zur in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Ladung wiederaufladbarer Batterien.

Die in Fig. 1 in einem Blockschaltbild schematisch dargestellte Anordnung zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie 1 enthält einen in der Zeichnung mit einer dick ausgezogenen Linie dargestellten Ladestromweg 2, der aus einer Gleichspannungsquelle 3 gespeist wird und der einen Längstransistor 4 einer Transistoranordnung 5, einen den Ladestrom begrenzenden Widerstand 6 und zwei Anschlüsse 7 und 8 zum Anschluss der wiederaufladbaren Batterie in den Ladestromweg aufweist. Parallel zum Längstransistor 4 ist ein Ladeerhaltungszweig 9 mit einem Widerstand 10 angeordnet. Über den Anschlüssen 7 und 8 für die Batterie liegt ein Spannungsteiler, dessen Basiszweig aus einem Widerstand 11 und dessen Teilerzweig aus einem einstellbaren Widerstand 12 besteht. An den Abgriff 13 des Spannungsteilers ist der Überwachungseingang 14 einer Schwellwertanordnung 15 mit einem oberen Schwellwert Usi und einem unteren Schwellwert US2 für die überwachte Spannung angeschlossen. Der Ausgang 16 der Schwellwertanordnung ist mit dem Steuereingang der den Längstransistor enthaltenden Transistoranordnung verbunden. Dem Spannungsteiler 11/12 liegt ein Schwellwertschalter 17 parallel, der über eine Schaltverzögerungsanordnung 18 einen Schalter 19 in einem parallel zum Basiszweig 11 des Spannungsteilers liegenden Verkürzungszweig steuert. Neben dem Schalter 19 enthält der Verkürzungszweig einen Widerstand 20.

Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung wird anhand der Diagramme a und b der Fig. 2 erläutert. Im Diagramm a ist die Spannung Un am Abgriff 13 des Spannungsteilers 11/12 in verschiedenen Betriebszustän-den der Schaltungsanordnung dargestellt, im Diagramm b die zugehörige Spannung U7 am Anschluss 7 im Ladestromweg 2. Im Zeitabschnitt A der beiden Diagramme ist zwischen den Anschlüssen 7 und 8 der Ladeanordnung keine Batterie angeschlossen, so dass der Ladestromweg 2 an dieser Stelle offen ist. Über den Ladeerhaltungszweig 9 gelangt nahezu die volle Gleichspannung Uo der den Ladestromweg speisenden Gleichspannungsquelle 3 an den Anschluss 7. Diese Spannung ist wesentlich höher als der Spannungsschwellwert US3 des Schwellwertschalters 17, der deshalb an seinem Ausgang 21 ein Signal erzeugt, das den Schalter 19 im Verkürzungszweig schliesst und dem Basiszweig 11 des Spannungsteilers 11/12 den Widerstand 20 des Verkürzungszweiges parallelschaltet. Der Widerstand 20 des Verkürzungszweiges ist so bemessen, dass trotz der hohen, am Spannungsteiler liegenden Spannung Uo die Spannung U13 am Abgriff 13 des Spannungsteilers kleiner ist als der untere Spannungsschwellwert US2 der Schwellwertanordnung 15. Die Schwellwertanordnung erzeugt dadurch an ihrem Ausgang 16 ein Signal, das den Längstransi-

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stor 4 im Ladestromweg leitend steuert.

Im Zeitpunkt ti wird an die Anschlüsse 7 und 8 eine teilweise entladene wiederaufladbare Batterie 1 angeschlossen. Der daran anschliessende Zeitabschnitt B ist stark gedehnt dargestellt. Die Spannung U7 am Anschluss 7 fällt entsprechend der Entladezeitkonstante des Ladestromweges 2 auf die Spannung der Batterie 2 im Ladestromweg ab, die zwischen der Tiefentladespannung Übt und der maximal zulässigen Spannung Ußmax an der Batterie bei der Schnelladung liegt, und sinkt gleichzeitig unter den Schwellwert U$3 des Schwellwertschalters 17, dessen Ausgangssignal dadurch wegfällt. Die Schaltverzögerungsanordnung 18 verzögert den Abfall dieses Signals für den Schalter 19 um eine Verzögerungszeit tv, die grösser ist als die Zeit tA, in der die Batteriespannung auf einen Wert unterhalb des maximal für die Schnelladung zulässigen Wertes UBmax der Spannung der Batterie absinkt, der beispielsweise zum Zeitpunkt t2 unterschritten wird. Nach der Verzögerungszeit tv schaltet sich der Verkürzungszweig vom Basiszweig 11 des Spannungsteilers ab, so dass der Spannungsteiler 11/12 allein wirksam ist.

Im Zeitpunkt C erfolgt die Schnelladung der Batterie 1. Die beiden Spannungskurven U7 und U13 verlaufen zueinander proportional. Der Abgriff des Spannungsteilers 11/12 ist mittels des einstellbaren Teilerzweiges 12 so eingestellt, dass die Spannung am Abgriff 13 den oberen Schwellwert USi der Schwellwertanordnung 15 erreicht, wenn die Spannung der Batterie den für die Schnelladung maximalen Spannungswert UBmax erreicht. In diesem Zeitpunkt t4 kippt die Schwellwertanordnung in einen Zustand, in dem sie bis zum Unterschreiten des unteren Schwellwertes Us2 verharrt und in dem sie ein den Längstransistor 4 sperrendes Ausgangssignal erzeugt. Von nun an (Zeitabschnitt D) fliesst über den Ladeerhaltungszweig 9 ein Ladeerhaltungsstrom, der mittels des Widerstands 10 so bemessen ist, dass er die Verluste der Batterie durch Selbstentladung ersetzt.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Ladeanordnung für wiederaufladbare Batterien, das im wesentlichen dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht und sich entsprechende Schaltungselemente mit gleichlautenden Bezugszeichen gekennzeichnet sind, ist die Schwellwertanordnung 15, der Schwellwertschalter 17 mit der Schal-tungsverzögerungsanordnung 18 und der Schalter des Verkürzungszweiges näher ausgeführt. Die Schwellwertanordnung enthält einen als Komparator 22 ausgebildeten Operationsverstärker, dessen einer Eingang als Überwachungseingang 14 mit dem Abgriff des Spannungsteilers 11/12 verbunden ist, während an dessen anderen Eingang 23 eine Referenzgleichspannungsquelle 24 angeschlossen ist. Die beiden eine Hystérésis bildenden Schwellwerte USi und Us2 des Komparators werden mittels der Referenzspannungsquelle 24 und der beiden Gegenkopplungswiderstände 25 und 26 erzeugt.

Der Schwellwertschalter 17 zur Überwachung der Spannung U7 ist eine Zenerdiode 27, an deren Begrenzungswiderstand 28 das Ausgangssignal für die anschliessende Schaltungs-verzögerungsanordnung 18 entsteht. Diese enthält einen Speicherkondensator 29, der über einen Ladewiderstand 30 an den Ausgang des Schwellwertschalters 17 und über einen Entladewiderstand 31 an die Basis des als Transistor 32 ausgebildeten Schalters 20 des Verkürzungszweiges angeschlossen ist. Die Zenerspannung der Zenerdiode 27 stellt den Schwellwert US3 dar und ist grösser als die bei der Schnelladung maximal zulässige Spannung UBmax der Batterie.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE Schaltungsanordnungen der genannten Art werden insbe-

1. Schaltungsanordnung zum Laden einer wiederaufladba- sondere zum Laden wiederaufladbarer Batterien verwendet, ren Batterie mit einer den Ladestromweg speisenden Gleich- die z.B. in tragbaren elektrischen Geräten angeordnet und in spannungsquelle, einem im Ladestrom angeordneten Wider- diesen Geräten zu deren Stromversorgung vorgesehen sind. Zu stand zur Begrenzung des Ladestromes und einem ebenfalls im s diesem Zweck sind derartige Schaltungsanordnungen zum Ladestromweg angeordneten steuerbaren Längstransistor, fer- Laden wiederaufladbarer Batterien in sogenannten Ladegerä-ner mit einem parallel zur Batterie angeordneten, aus einem ten oder eine grössere Anzahl derartiger Schaltungsanordnun-einstellbaren Teilerzweig und einem Basiszweig bestehenden gen in Ladeeinrichtungen mit mehreren Ladeplätzen einge-Spannungsteiler und mit einer Schwellwertanordnung, die mit baut. Zur Ladung können die Batterien aus dem Batteriefach einem Überwachungseingang an den Abgriff des Spannungs- io des tragbaren Gerätes herausgenommen und in eine Aufnahteilers angeschlossen ist und von der Spannung an diesem mevorrichtung des Ladegerätes eingelegt werden. Es ist Abgriff gesteuert wird und die ihrerseits den Längstransistor jedoch auch bekannt, an tragbaren elektrischen Geräten sperrt, wenn die Spannung am Abgriff einen oberen Schwell- Steckervorrichtungen anzubringen, über die die in dem Gerät wert der Schwellwertanordnung überschreitet, und den Längs- enthaltenen Batterien wieder aufgeladen werden können und transistor leitend steuert, wenn die Spannung am Abgriff einen 15 diese Geräte zum Wiederaufladen ihrer Batterien in Fassungen unteren Schwellwert unterschreitet, dadurch gekennzeichnet, mit einer Gegensteckervorr ichtung einer Ladeeinrichtung ein-dass der untere Schwellwert (US2) einer Spannung der ange- zusetzen.

schlossenen Batterie ( 1 ) entspricht, die im Bereich der Tief- In vielen Fällen sollen tragbare, mit wiederaufladbaren Bat entladespannung (Übe) der Batterie oder darunter liegt, dass terien betriebene elektrische Geräte in sehr kurzer Zeit wieder dem Längstransistor (4) ein ohmscher Ladeerhaltungszweig (9) 20 betriebsbereit sein und bei einer nicht sofortigen Wiederbenut-parallel geschaltet ist, dass dem Basiszweig (11) des Spannungs- zung in voll aufgeladenem Zustand bereitgehalten werden. Die teilers (11,12) ein Verkürzungszweig parallel geschaltet ist, der Batterien dieser Geräte werden zunächst mittels einer soge-aus einem Widerstand (20) und einem Schalter (19) besteht und nannten Schneiladung aufgeladen. Anschliessend wird die dessen Widerstand gegenüber dem Teilerzweig ( 12) des Span- Ladung der Batterien durch einen dauernd fliessenden Ladeer-nungsteilers so bemessen ist, dass sich im leitenden Zustand des 25 haltungsstrom aufrechterhalten. Da die wiederaufladbaren Bat-Schalters (19) am Abgriff (13) des Spannungsteilers eine Span- terien bei einem kleinen Volumen eine hohe Ladekapazität auf-nung (U13) einstellt, die stets kleiner ist als der untere Schwell- weisen und gegen eine Überladung besonders empfindlich sind, wert (US2) der Schwellwertanordnung (15), auch wenn sich im werden insbesondere an die Schnelladung hohe Anforderun-Ladestromweg (2) keine Batterie befindet, dass parallel dem gen bezüglich der Einhaltung maximaler Ladewerte gestellt, von der Batterie gebildeten Teil des Ladestromweges ein 30 Diese hohen Anforderungen können nur mit automatischen Schwellwertschalter (17) angeordnet ist, dessen Schwellwert- Ladeüberwachungsschaltungen in den Schaltungsanordnun-spannung (US3) grösser als die Batteriespannung (UBmax) ist, bei gen zur Ladung wiederaufladbarer Batterien erfüllt werden, der der Längstransistor von der diesen steuernden Schwell- Aus der DT-AS 22 55 894 ist eine Schaltungsanordnung der wertanordnung (15) gesperrt wird, und dass zwischen den eingangs angegebenen Art zur Ladung einer wiederaufladba-

Steuerausgang (21 ) des Schwellwertschalter ( 17) und den 35 ren Batterie bekannt, bei der im Ladestrom ein den Ladestrom Steuereingang des Schalters des Verkürzungszweiges eine begrenzender Widerstand, ein schaltbarer Längstransistor und Schaltverzögerungsanordnung ( 18) eingefügt ist, deren eine Diode in Flussrichtung liegen. An den parallel zur Serien-

Abschaltverzögerung (tv) grösser ist als die Abklingzeit (tA) der Schaltung aus Diode und Batterie liegenden Spannungsteiler ist Spannung (LJ7) am Spannungsteiler (11,12) unmittelbar nach eine Schwellwertanordnung mit einem unteren und einem obe-dem Einfügen der Batterie in den Ladestromweg. 40 ren Schwellwert angeschlossen. Bei Erreichen der maximalen
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Ladespannung der Batterie sperrt die Schwellwertanordnung zeichnet, dass der Schalter (19) im Verkürzungszweig ein Tran- der bekannten Schaltung wegen Überschreitens des oberen sistor (32) ist. Schwellwertes den Längstransistor. Ein parallel zum Span-
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch nungsteiler angeordneter Kondensator entlädt sich über die-gekennzeichnet, dass der Schwellwertschalter (17) eine ström- 45 sen, bis der untere Schwellwert der Schwellwertanordnung begrenzte Zenerdiode (27) ist. unterschritten ist, wodurch der Längstransistor wieder leitend
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden geschaltet wird. Nach der ersten Volladung erhält die Batterie Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltverzöge- somit fortwährend Nachladestromstösse zur Erhaltung ihrer rungsanordnung (18) ein Kondensator (29) mit einem Lade- Volladung. Bei sehr grossen Schnelladeströmen, die wesentlich widerstand (30) und einem Entladewiderstand (31) ist. 50 über dem normalen Ladestrom, z.B. wesentlich über dem zehn-
5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden stündigen Endladestrom liegen, ist dieses Verfahren der Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellwertan- Ladeerhaltung nicht mehr geeignet, da andernfalls ein sehr Ordnung (15) ein Schmitt-Trigger mit einer gross eingestellten schneller Verschleiss oder eine baldige Zerstörung der wieder-Hysteresis ist. aufladbaren Batterie auftritt.
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 55 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs-dadurch gekennzeichnet, dass die Schwellwertanordnung (15) anordnung zur Ladung einer wiederaufladbaren Batterie anzu-ein Komparator (22) ist mit einer Gegenkopplungsanordnung geben, die für sehr hohe Lädeströme, bis in die Grössenord-(25,26), die so bemessen ist, dass der Komparator eine grosse nung eines einstündigen Entladestromes geeignet ist und die Hystérésis aufweist. anschliessend an die Schnelladung eine fortwährende, für die

60 Batterie unschädliche Ladeerhaltung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung gemäss dem Merkmal des ersten Anspruchs gelöst.

Mit den Massnahmen der Erfindung wird in vorteilhafter