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Einrichtung zur selbsttätigen Ladung bzw. Spannungskonstanthaltung
einer elektrischen Batterie Zur selbsttätigen Ladung elektrischer Batterien sind
bereits zahlreiche Einrichtungen bekanntgeworden. Diese Einrichtungen sind jedoch
mit einem recht erheblichen Aufwand versehen, da es bei ihnen zur Vermeidung von
Beschädigungen der Batterie erforderlich ist, die Batteriespannung ständig zu überwachen,
damit der Ladestrom bei Eintritt der Gasungsspannung verringert und beim Erreichen
der maximalen Batteriespannung vollständig abgeschaltet wird. Die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht darin, empfindliche Schalter und Regelorgane zu vermeiden und
die Überwachung entbehrlich zu machen.
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Es ist bereits vorgeschlagen, zur selbsttätigen Ladung bzw. Spannungskonstanthaltung
einer elektrischen Batterie von einer Gleichspannung, die höher als die Batteriespannung
ist, einen Spannungsteiler zu verwenden, der so bemessen ist, daß die zur Aufladung
der Batterie erforderliche Spannung von dem Spannungsteiler abgegriffen wird. Bei
einer derartigen Einrichtung steigt jedoch während der Ladung in dem zur Batterie
parallel liegenden Teil des Spannungs-Leilers der Strom in gleichem Maße an, wie
die Batteriespannung wächst. Da aber der an dem Vorwiderstand liegende Spannungsanteil
nur um einen geringen Betrag, nämlich um den Spannungsanstieg der Batteriespannung,
geringer geworden ist, kann sich der Gesamtstrom nur geringfügig ändern. Ungefähr
in dein gleichen Maße, d. h. umgekehrt proportional mit der steigenden Batteriespannung,
ändert sich auch der Ladestrom der Batterie. Dabei tritt aber während des Ladeverlaufes
nur eine geringe Stromänderung ein. Das hat zur Folge, daß nach vollständiger Ladung
der Batterie ein zu großer Ladestrom weiterfließt. Um eine Schädigung der Batterie
zu vermeiden, muß deshalb auch hier die Batteriespannung ständig überwacht und eine
Ausschaltung der Ladung vorgesehen werden. Um diese Überwachung zu vermeiden, kann
man von vornherein mit kleinem Ladestrom beginnen. Dabei wird aber nur eine geringe
Anzahl von Amperestunden in die Batterie eingeladen.
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Erfindungsgemäß besteht der parallel zur Batterie liegende Teil des
Spannungsteilers aus einem Widerstand mit negativer Stromspannungscharakteristik,
beispielsweise einem Halbleiter, Trockengleichrichter od. dgl. Dabei ergeben sich
bereits bei kleinen Spannungsänderungen verhältnismäßig große Strom- bzw. Widerstandsänderungen,
die zur selbsttätigen Ladung bzw. Spannungskonstanthaltung der Batterie ausgenutzt
werden.
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Ein Schaltungsbeispiel für die Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt.
Die zur Ladung der Batterie 1 erforderliche Spannung wird von einem Spannungsteiler
3 abgegriffen, der an die Netzspannung 2 angeschlossen ist. Der Spannungsteiler
3 setzt sich aus einem rein ohmschen Widerstand 4 und einem parallel zur Batterie
liegenden Teil 5 zusammen, welcher aus einem Widerstand mit negativer Stromspannungscharakteristik
besteht. In diesem Fall ist eine Anzahl von Gleichrichterzellen dargestellt worden.
Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende. Ist die Batterie vollständig entladen,
so ist bei Beginn der Ladung an den Batterieklemmen und ebenfalls an dem parallel
liegenden Gleichrichter eine bestimmte Spannung (bei Bleiakkumulator 2,1 V/Zelle)
vorhanden. Dabei stellen sich in Abhängigkeit von der Netzspannung, dem Vorwiderstand
und dem Widerstand im Gleichrichter ein bestimmter Ladestrom Ib und ein bestimmter
Gleichrichterstrom I, ein. Der Gesamtstrom I, welcher den Spannungsabfall
im Vorwiderstand verursacht, ergibt sich aus Ib -f- I, Der im Gleichrichter fließende
Strom I,. steigt entsprechend der Gleichrichtercharakteristik bei steigender Batteriespannung
in weit höherem Maße an, als dies bei einem ohmschen Parallelwiderstand der Fall
wäre, weil der Gleichrichterwiderstand bei steigender Spannung stark abfällt. Da
die Summe von Ib -V- I, während des Ladeverlaufs nahezu konstant bleibt, so folgt
hieraus, daß der Ladestrom Ib mit steigender Batteriespannung geringer wird. Die
Schaltung kann so einreguliert werden, daß der Ladestrom der Batterie bei einer
bestimmten Spannung (z. B. 2,4 oder 2,7 V/Zelle) zu 21"Tull wird. Auf diese Weise
erreicht man eine selbsttätige Rufladung sowie eine selbsttätige Ladungserhaltung,
da der Ladestrom sofort wieder einsetzt, sobald die Batteriespannung bei Entladung
zurückgegangen ist.
Außerdem läßt sich mit der beschriebenen Schaltung
die Batteriespannung und damit die Spannung der angeschlossenen Verbraucher innerhalb
bestimmter Grenzen konstant halten, um spannungsempfindliche Verbraucher gegen Überlastung
zu schützen.
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S ÜA Verbraucher angeschlossen, welche einen Spannun-sanstieg bis
auf 2,7 V/Zelle nicht vertragen, soll " l,e r ander erseits eine Volladung z# der
Batterie bis zu flieer Zellenspannung erreicht werden, so kann die Schaltung entsprechend
Fig. 2 so ausgeführt werden, <1a1.1 in zwei Ladestufen geladen wird. Die Bezeichnungen
sind die gleichen wie in Fig. 1. Zusätzlich sind die Verbraucher angeschlossen,
welche in diesem Fall au-, einem spannungsempfindlichen Verbraucher 7 und drei spannungsempfindlichen
Verbrauchern 8, 9 und 10 bestehen. Beim Einschalten der Verbraucher 8, 9, 10 wird
der Schalter 6 vorteilhaft zwangläufig oder selbsttätig auf den Kontakt a gelegt,
so daß die Spannung höchstens bis zu einem eingestellten, für die erbraucher zulässigen
Wert ansteigen kann und auf dessen Höhe selbsttätig gehalten wird. Werden die spannungsempfindlichen
Verbraucher B. 9, 10- nicht benötigt, so kann der Schalter 6 auf den Kontakt 'U
gelegt werden, die Batterie wird bis zur Höchstspannung aufgeladen. Der Strom für
die spannungsempfindlichen Verbraucher 8, 9 und 10 wird über einen weiteren Kontakt
c des Hauptschalters 6 geführt, welcher bewirkt, daß beim Einschalten der spannungsempfindlichen
Verbraucher die Batterie lediglich über den Kontakt 6a mit geringerer Spannung aufgeladen
wird, so daß also eine Überspannung an den Verbrauchern nicht auftreten kann.
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Um beim Ausbleiben der Netzspannung eine Entladung der Batterie über
den parallel liegenden Trockengleichrichter zu verhindern, kann zwischen Gleichrichter
und Batterie ein Rückstromrelais oder ein weiterer Gleichrichter vorgesehen werden,
welcher <her nur für den höchsten Ladestrom und höchste Batteriespannung zu bemessen
ist.
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Die Erfindung eignet sich besonders zur Ladung von Batterien in solchen
Fällen, in denen die in dem ohmschen Vorwiderstand 4 auftretenden Verluste keine
Rolle spielen oder in irgendeiner Form ausgenutzt werden können. Dies ist beispielsweise
der Fall bei oberleitungsgespeisten elektrischen Fahrzeugen, bei welchen eine Beleuchtungsbatterie
kleinerer Spannung auf Ladung erhalten werden soll und bei denen häufig an Stelle
des Vorwiderstandes Lüftermotoren, Heizkörper oder sonstige Nebenbetriebe eingeschaltet
-:-erden können.
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In Fig. 3 ist der Ladestrom Ib in Abhängigkeit von der Batterieklemmenspannung
Ub eingezeichnet. Die Konstruktion der Ladekurve ist folgende: In einem Stromspannungsdiagramm
wird die Netzspannung Un, die Batterieklemmenspannung bei Beginn der Ladung U" sowie
die Batterieklemmenspannung bei Ende der Ladung U, eingetragen. Weiterhin zeichnet
man die Charakteristik R" des Trockengleichrichters 5 ein. Als Schnittpunkt mit
der Spannungslinie U, erhält man den Punkt B. Der Schnittpunkt
A der Spannungslinie U" mit der Linie I = 0 wird mit dem Punkt
B
verbunden. Durch die Neigung dieser Geraden ist die Größe des Vorwiderstandes
4 bestimmt. Durch den Punkt C (Schnittpunkt der Spannungslinie U" mit der Gleichrichteicharakteristik
Re) zieht man eine Parallele zu A-B. Diese schneidet die Linie U" im Punkt
D. Das Lot vom Punkt D auf die Linie L'" ergibt den Punkt E. Damit
ist der Anfangspunkt für die Ladekennlinie der Batterie gefunden. Der Endpunkt der
Ladekennlinie ergibt sich aus der Bedingung, daß bei der Endspannung die Stromstärke
gleich Null sein soll, also als Schnittpunkt der U,-Linie und der 1=0-Achse ist.
Die Zwischenpunkte der Ladekurve werden in gleicher Weise ermittelt.
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In Fig. 4 ist der Verlauf des Ladestromes für ein bestimmtes Beispiel
ermittelt. Es wurde angenommen: Netzspannung U,t = 1200V, Batterie 2 - 6 Zellen
Bleiakkumulatoren, Batterieklemmenspannung bei Beginn der Ladung U, = 25
V, Batterieklemmenspannung bei Ende der Ladung U, = 33 V. Da U" sehr viel größer
als U, bzw. U" ist, kann der Einfluß der Batteriespannungsänderung während des Verlaufs
der Ladung auf den im Vorwiderstand 4 fließenden Gesamtstrom I vernachlässigt werden.
Damit kann also praktisch mit konstantem Strom I gerechnet werden. Es ergibt sich
dabei die eingezeichnete Ladekurve I. Der Ladestrom beträgt zu Beginn der Ladung
4,5 A, bei Volladung ist er Null. Würde man an Stelle des Trockengleichrichters
einen Widerstand mit geradliniger Charakteristik verwenden, und zwar von einer solchen
Größe, daß sich der gleiche Anfangsladestrom einstellt, so verläuft die Ladung nach
der Kurve II. Wird ein ohmscher Widerstand so bemessen, daß bei einer Spannung von
33 V der Ladestrom Null wird, so ergibt sich hierfür der Ladeverlauf nach der Kurve
III. Man erkennt, daß in einem Falle der Ladestrom am Ende der Ladung viel zu groß
ist und für eine besondere Abschaltung gesorgt werden muß, während im anderen Fall
nur eine geringe Anzahl Amperestunden in die Batterie eingeladen «erden kann.
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Durch entsprechende Auslegung des negativen Widerstandes bzw. durch
entsprechende Bemessung der Plattenzahl und Plattengröße des Trockengleichrichters
kann die Ladekennlinie so verschoben werden, daß ein für die Ladung günstiger Verlauf
der Kurve erreicht wird. Insbesondere kann die Ladekurve so ausgelegt werden, daß
der Ladestrom gemäß den Vorschriften der Akkumulatorenfabriken bei Eintritt der
Gasungsspannung (2,4 V/Zelle) entsprechend verringert wird.