DE1935201B2 - Schaltungsanordnung zum Schnelladen einer elektrischen Batterie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schnelladen einer elektrischen Batterie, mit einer Gleichstromquelle und mit einem steuerbaren Entladestrompfad für die Batterie, der jeweils bei einem

bo vorbestimmten Wert einer Batteriekenngröße in Ladepausen kurzzeitig zuschaltbar ist

Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der belgischen Patentschrift 7 10 108 bekannt, die im wesentlichen der DE-OS 16 38 058 entspricht. Die dort offenbarte Anordnung hat es erstmals ermöglicht, Batterien mit einer oder mehr Zellen in einer Zeitspanne von unter 20 Minuten auf ihre Nennkapazität aufzuladen, ohne daß die Batterien durch die

SchneUadung beschädigt werden. Da die Ladezeit von Batterien häufig ein wichtiger Gesichtspunkt beim Betrieb elektrischer und elektronischer Aggregate und Geräte ist, ergab sich die Aufgabe, eine Schaltungsanordnung vorzuschlagen, mit der die Ladezeit ohne nachteilige Auswirkungen auf die zu ludenden Batterien weiterverkürzt werden kann.

Bei einer Schaltungsanordnung der eingangs zitierten Art wird die Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmalen gelöst

Ohne d&Q ein mehr als unwesentlicher Anstieg der Batterietemperatur zu verzeichnen wäre, kann die Ladezeit nunmehr auf weniger als 15 Minuten reduziert werden, und es sind selbst Ladezeiten von nur etwa 6 Minuten festgestellt worden.

Neben der bereits erwähnten BE-PS kennt der Stand der Technik eine große Zahl von Batterieladeschaltungen. So ist aus der US-PS 25 03 179 eine Schaltung bekannt, bei der mit einer Folge von Gleichstrom-Ladeimpulsen gearbeitet wird, zwischen die Entladeimpul- se eingeschachtelt werden. Eine aus der US-PS 33 63 162 bekannte Ladeschaltung arbeitet mit einem pulsierenden Gleichstrom und ist mit einer Sensorschaltung für die Batterie-Klemmenspannung ausgerüstet Von den bekannten Schaltungsanordnungen ist jedoch keine dazu geeignet, eine Schneiladung von Batterien zu ermöglichen oder gar eine stark verkürzte Ladezeit noch weiter zu verringern, wie es mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung möglich ist

Mit den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen werden zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungs- und Weiterbildungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Lösung aufgezeigt

Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert Im einzelnen zeigt

F i g. 1 ein schematisches Schaltbild einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung nach der Erfindung;

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Änderungen der Batterie-Klemmenspannung und des mittleren Ladestromes bei einer Schaltungsanordnung gemäß Fig.l;

F i g. 3 eine graphische Darstellung des Zusammenhangs von pulsierender Gleichspannung und Batterie- Klemmenspannung;

Fig.4 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen Lade- und Entladestrom zu der pulsierenden Gleichspannung gemäß F i g. 3;

F i g. 5 ein Schaubild mit stark gedehnter Zeitbasis zur Darstellung der Änderung der Batterieklemmenspannung während eines Entladestrom-Impulses;

F i g. 6 eine graphische Darstellung der Batterieklemmenspannung während eines Entladestrom-Impnlses, bezogen auf eine gedehnte Zeitbasis; und

F i g. 7 ein schematisches Schaltbild einer alternativen Ausführungsform der Ladeschaltung.

Die Schaltungsanordnung dient zum Aufladen einer Batterie 1 und enthält eine Stromquelle 2 zur Abgabe von Gleichstromimpulsen, einen zwischen die Stromquelle 2 und die Batterie 1 geschalteten ersten steuerbaren Schalter 3 sowie einen über die Batterieklemmen geschalteten zweiten steuerbaren Schalter in Form eines Transistors 4. Die Schaltungsanordnung besitzt weiterhin eine Abtasteinrichtung 5, die auf eine an den Klemmen der Batterie liegende vorwählbare Spannung anspricht und den Betrieb des Transistors 4 steuert, um die Batterie 1 während der Ladeimpulse selektiv zu entladen.

Zum Zwecke der Erläuterung sei angenommen, daß die aufzuladende Batterie aus zehn gasdichten NC-ZeI-len besteht Es sei an dieser Stelle jedoch generell darauf hingewiesen, daß die Anordnunp keineswegs auf das Nachladen von NC-Batterien oder nur zum Nachladen von genau zehn Zellen geeignet ist

Es lassen sich vielmehr beliebige Zahlen von Zellen aufladen sowie jede Art von nachledbaren elektrochemischen Energiequellen.

Zur Erläuterung sei weiter angenommen, daß es sich bei den NC-Zellen um solche handelt die eine nominelle Klemmenspannung von 1,2 Volt pro Zelle sowie eine Nennkapazität von einer Ah haben, wenn sie mit 10OmA zehn Stunden lang auf eine Endspannung entladen werden. Der Hersteller empfiehlt, daß diese Zellen Ober eine Zeitdauer von sechszehn Stunden mit 100 mA wieder aufgeladen werden.

In der nachstehenden Beschreibung wird mit Coder als C-Wert derjenige Entladestrom in Ampere bezeichnet, mit dem eine Zelle während eines festgelegten Zeitraumes belastet werden muß, um sie auf ihre Entlade-Endspannung zu entladen. Dieser Zeitraum wird üblicherweise entweder auf eine Stunde oder auf zehn Stunden festgelegt In dem vorstehenden Beispiel hat die Zelle demgemäß einen (einstündigen) C-Wert von 1 Ampere, weil sie bei Entladung mit diesem Strom in einer Stunde ihre Entlade-Endspannung erreicht

Die gezeigte Schaltungsanordnung läßt sich vorteilhaft zum Nachladen von Zellen auf mindestens ihre Nennkapazität in weniger als fünfzehn Minuten verwenden, und eine Anordnung ist bereits verwendet worden, um eine solche Zelle auf ihre Nennkapazität in etwa sechs Minuten aufzuladen.

Die Klemmenspannung einer aus zehn Zellen bestehenden Batterie und der dieser Batterie durch die Schaltungsanordnung zugeführte Ladestrom sind der graphischen Darstellung der F i g. 2 zu entnehmen. Zu Erläuterungszwecken wird angenommen, daß die aufzuladende Batterie zunächst auf eine Endspannung von etwa 6 Volt entladen wurde, und daß es sich hierbei um die Klemmenspannung der Batterie bei Ladungsbeginn handelt Der Zeitpunkt des Ladebeginns ist in F i g. 2 mit (1 bezeichnet Zum Zeitpunkt ti wird ein Ladestrom an die Batterie gegeben, der größer ist als der nominelle C-Wert der Batterie, und der in diesem Fall etwa dem siebenfachen C-Wert entspricht Durch das Anlegen des Ladestromes an die Batterieklemmen steigt die durch die Kurve 40 repräsentierte Klemmenspannung sehr schnell von 6 auf etwa 14 Volt an. Anschließend tendiert die Klemmenspannung dazu, bei etwa 15 Volt stehenzubleiben, auch bei fortgesetzter Zuführung von Ladestromimpulsen. Während des schnellen Anstieges der Batterieklemmenspannung auf den 14-Volt-Punkt findet eine entsprechende Verringerung des Ladestromes auf einen mittleren Wert von etwa 5 Ampere statt

Der Ladestrom wird der Batterie in Impuls-Form zugeführt, und diese Impulse können von einem pulsierenden Gleichstrom gebildet werden, der am Ausgang eines an eine Wechselspannungsquelle angeschlossenen Gleichrichters abzunehmen ist Die resultiertenden Zusammenhänge zwischen Ladestromimpulsen und der pulsierenden Gleichspannung sind in den F i g. 3 und 4 gezeigt die beide dieselbe Zeitbasis haben. Der Ladestrom fließt durch die Batterie, sobald die pulsierende Gleichspannung aus der Stromquelle die Batterieklemmenspannung übersteigt die in dem

Schaubild der F i g. 3 etwa 15 Volt beträgt.

Zum Zwecke der Erläuterung sei angenommen, daß die pulsierende Gleichspannung bei fehlender Last einen Spitzenwert von etwa 20 Volt hat, wie es bei einer Betrachtung der Spannungskurve 20 in Fig.3 zu erkennen ist, so daß der Ladestrom während etwa der halben Zeitdauer eines jeden von der Stromquelle kommenden Gleichspannungsimpulses fließt Betrachtet man beispielsweise das (in den USA übliche) 110-Volt-Netz mit einer Netzfrequenz von 60Hz, so folgt, daß der Ladestrom während einer Zeitdauer von etwa 4 Millisekunden fließt, während der Gleichspannungsimpuls eine Gesamtdauer von 8,3 Millisekunden hat

Bei Anwendung von Entiadeimpuisen mit einer Dauer von 2 Mikrosekunden hat es sich gezeigt, daß die Batterie verhältnismäßig kühl bleibt. So hat sich die Batterietemperatur während einer vollen Nachladeperiode nur zwischen etwa 3 bis 8° C erhöht Hinzu kommt, daß sich gezeigt hat, daß der Mittelwert des Entladeimpulses erheblich kleiner sein kann als der Mittelwert der Entladeimpulse gemäß der genannten DE-PS.

Bei der erwähnten Entladestrom-Impulsdauer von nur zwei Mikrosekunden braucht der Ladestrom nicht unterbrochen zu werden, da die Entladeimpulse zwischen die Ladeimpulse eingefügt werden können. Dies ist in der Mitte der Fig.4 dargestellt, wo unmittelbar auf einen positiven Stromstoß ein Entladestromimpuls folgt Im Gegensatz zu der dargestellten Ausführung kann zwischen dem Ende eines Lade- und Beginn eines Entladeimpulses eine Ruhezeit eingeschaltet werden, und es ist ebenso möglich, den Entladeimpuls teilweise oder völlig an das Ende der Zwischenperiode zwischen zwei Ladeimpulsen zu schieben, so daß nur eine kurze Ruhezeit bis zum Beginn des nächsten Ladeimpulses vorhanden ist

Die Stromquelle 2, die eine pulsierende Gleichspannung zum Aufladen der Batterie 1 abgibt kann beliebig aufgebaut sein, sofern sie nur den nötigen Ladestrom aufbringt In dem dargestellten Ausführungsbeispiel besitzt die Stromquelle 2 einen Vollweg-Gleichrichter, bestehend aus Dioden 7 und 8, die an die gegenüberliegenden Enden der Sekundärwicklung 9 eines Transformators 10 gelegt sind. Die Primärwicklung 11 des Transformators 10 liegt an einer Wechselspannungsquelle IZ Die Wechselspannungsquelle 12 ist vorzugsweise das übliche Wechselspannungsnetz mit einer Frequenz von beispielsweise 60 Hz. Bei einem 60-Hz-Netz und Vollweg-Gleichrichtung hat die am Ausgang der Stromquelle 2 abzugreifende Spannung die in F i g. 3 gezeigte Form bei einer Wiederholfrequenz von etwa 83 Millisekunden.

Die pulsierende Gleichspannung wird fiber den steuerbaren Schalter 3 geleitet, der einen Thyristor 13 enthält Zwischen Anode und Steuerelektrode des Thyristors 13 ist ein Widerstand 14 und zwischen die Steuerelektrode und die Kathode ein Widerstand 15 geschaltet Sobald die Ausgangsspannung der Stromquelle 2 die Klemmenspannung der Batterie 1 fibersteigt, wird der Thyristor 13 aufgesteuert, da ein Strom durch die Widerstände 14, 15 fließt und die Steuerelektrode mit der notwendigen Steuerspannung versorgt Darauf fließt der Ladestrom solange durch den Thyristor 13 in die Batterie 1, wie die Ausgangsspannung der Stromquelle 2 die Klemmenspannung der Batterie 1 fibersteigt Die Verbindung zwischen der Stromquelle 2 und der Batterie 1 ist dauernd betriebsbereit.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel gibt die Sekundärwicklung 9 des Transformators 10 eine Spitzenspannung von 20 V ab. Die der Batterie 1 zugeführte Spannung steigt jedoch nicht auf den Spitzenwert von 20 Volt an, sondern wird vielmehr von der parallel zum Transformator geschalteten und als Kondensator wirkenden Batterie 1 sowie von der Impedanz der Stromquelle, durch die der Ladestrom

ίο fließt, niedrig gehalten. Die unbelastete Ausgangsspannung an der Sekundärwicklung des Transformators wird durch die Kurve 20 in F i g. 3 repräsentiert Die Kurve 45 in F i g. 3 stellt demgegenüber die Sekundärspannung mit einer als Last wirkenden Batterie dar. Wenn die Batteriekiemmenspannung etwa Ί5 Voit beträgt, zeigt sich, daß der Spannungsabfall in der Batterie auf Grund von deren Innenwiderstand etwa 0,8 Volt beträgt, so daß die Spannung um etwa 0,8 Volt über die Batterie-Ruhespannung ansteigt das heißt über die Batterieklemmenspannung ohne fließenden Lade- bzw. Entladestrom. Der Spannungsanstieg hängt vom Zustand der Batterie ab, wobei ein verhältnismäßig starker Anstieg stattfindet, wenn die aufgeladene Batterie einen höheren Innenwiderstand hat Der Innenwiderstand ist im allgemeinen ein Anzeichen für den Zustand der Batterie, wobei höhere Innenwiderstände den schlechteren Batterien zugeordnet sind.

Dadurch, daß die kurzen Entladeimpulse zwischen die Ladestromimpulse geschachtelt werden, ändert sich die Batterietemperatur während der Aufladung nur wenig, nämlich nur um etwa 3 bis 8° C.

Die Batterie wird über einen Entladestrompfad entladen, der von dem Transistor 4 gebildet wird. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Leistungstransistor, dessen Emitter-Kollektorpfad parallel zur Batterie geschaltet ist und der von einer spannungsempfindlichen Abtasteinrichtung 5 gesteuert wird. Die Abtasteinrichtung 5 wirkt ähnlich wie ein Kipp-Generator und spricht auf das Vorhandensein eines vorgewählten Spannungspegels an den Klemmen der Batterie 1 an. Die Abtasteinrichtung 5 könnte aber auch auf irgend eine andere Funktion der Batterie ansprechen, beispielsweise auf die Batterietemperatur oder ihren Innendruck. Die Abtasteinrichtung 5 enthält einen Spannungsteiler, der parallel zur Batterie 1 geschaltet ist und aus in Reihe liegenden Widerständen 16,17,18 und einer Induktivität 19 besteht Die Abtasteinrichtung 5 besitzt weiterhin als Zeitglied einen Kondensator 21 sowie einen Thyristor 22, in dessen Anoden-Kathoden-Pfad ein strombegrenzender Widerstand 23 geschaltet ist

Das Erscheinen des ersten Entladeimpulses beim Schließen des Schalters 4, d. h. beim Durchsteuern des Transistors 4, sowie alle darauffolgenden Entladeimpulse werden primär von der ÄC-Zeitkonstante der Abtasteinrichtung 5 bestimmt, die ihrerseits wiederum wesentlich von der Kapazität des Kondensators 21 und dem Widerstandswert von Induktivität 19 und Widerstand 16 abhängt Wenn die Ladung des Kondensators 21 zunimmt, nimmt auch die Spannung an der Steuerelektrode des Thyristors 22, das heißt am Verbindungspunkt zwischen den Widerständen 17 und 18 zu. Sobald die Spannungen der Steuerelektrode einen gegenüber der Kathode des Thyristors 22 zum Auf steuern ausreichend großen Wert erreicht, wird ein

es Strom sowohl von der Plusklemme der Batterie 1 als auch vom Kondensator 21 durch den Anoden-Kathoden-Pfad des Thyristors 22 zur Basis des Transistors 4 fließen und diesen leitend steuern. Hierdurch wird also

der Entladestrompfad für die Batterie 1 durchgeschaltet. Sobald der Thyristor 22 leitet, entlädt sich der Kondensator 21 und gibt einen starken Basisstrom für den Betrieb des Transistors 4 über den Thyristor 22 ab, wodurch der Transistor 4 in einem Bereich arbeitet, in dem er einen geringen Innenwiderstand im Entladestromkreis für die Batterie hat Darauf bilden der Widerstand 23, der parallel zu diesem liegende Widerstand des Transistors 4 sowie die Kapazität des Kondensators 21 das Maß für die Dauer des Entladeimpulses durch Festlegung der Zeitdauer, während der der Transistor 4 aufgesteuert bleibt Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel war die Impulsdauer auf etwa 2 Mikrosekunden eingestellt

Die Wiederholfrequenz der Entladeimpulse, die durch die Zeitkonstante der Abtasteinrichtung 5 festgelegt wird, ist etwa 1 Hz bei Ladungsbeginn, sie nimmt zu mit fortlaufender Aufladung. Diese Wiederholfrequenz ist in den Kurven der Fig.2 nicht zu erkennen, weil in dieser Darstellung die Zeitbasis zu wenig gedehnt ist Allerdings ist das Hinzufügen der Entladeimpulse mit dem daraus resultierenden Absinken der Klemmenspannung durch die den Spannungsverlauf an den Klemmen darstellende Kurve 40 erläutert. Die Klemmenspannung der Batterie nimmt im Falle einer verhältnismäßig guten, aus zehn Zellen bestehenden Batterie um etwa 5 Volt während der ersten Zeit des Ladens und um etwa 4 Volt gegen Ende der Ladezeit zu, wie es durch die gestrichelte Linie 50 in Fig.2 angedeutet ist

Das Aufsteuern des Transistors 4 muß zeitlich exakt abgestimmt werden, um zu verhindern, daß der Entladepfad wirksam ist, während der Thyristor 13 sich in seiner aufgesteuerten Stellung befindet und der Batterie einen Ladestrom zuführt; denn hierdurch würde die Sekundärwicklung des Transformators 10 kurzgeschlossen und könnte leicht beschädigt werden. Aus diesem Grund ist im vorliegenden Fall die Induktivität 19 zwischen die Stromquelle 2 und die Batterie 1 sowie außerdem zwischen die Steuerelektrode und die Kathode des Thyristors 22 gelegt, um diesen nur während der Ladestromimpulse aufzusteuern.

Während die Ausgangsspannung an der Sekundärwicklung 9 des Transformators 10 abnimmt und sich der Klemmenspannung der Batterie nähert, wird die leitende Diode 7 oder 8 sperren. Hierbei handelt es sich um ein apruptes Sperren, das stattfindet, während die Induktivität 19 noch Strom leitet Als Ergebnis hiervon wird an der Induktivität 19 immer dann, wenn eine der Dioden 7 oder 8 bzw. der Thyristor 13 sperren, ein Nadelimpuls erzeugt Da die Spannung zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des Thyristors 22 sich dem Schwellwert nähert, reicht ein an der Induktivität 19 entstehender Nadelimpuls aus, den Thyristor 22 leitend zu steuern. Die Ladung des Kondensators 21 nähert sich auf einer Exponentialkurve der Klemmenspannung der Batterie. Diese Spannung variiert — wie oben erwähnt — zwischen der Ruhespannung (es fließt kein Strom) und der höher liegenden Ladespannung (solange ein Ladestrom fließt). Um zu verhindern, daB eo der zum Aufsteuem des Thyristors 22 benötigte Spannungspegel wahrend der Ladestromimpulse erreicht wird, ist die Induktivität 19 so ausgelegt, daB ihr ohmscher Widerstand gleich oder größer als der InitenwJderstand der geladenen Batterie ist- Dadurcl, daß die Steuerelektrode und die Kathode des Thyristors 22 an-gegenüberliegenden Enden der Inctuktivftit 19 Begen, wird der Spannungsabfall an der Induktivität von der Klemmenspannung subtrahiert, so daß die Spannung zwischen Steuerelektrode und Kathode dann gleich oder geringer ist als die Spannung in Abwesenheit eines Ladestromes. Die Steuerelektrode merkt sozusagen den Unterschied zwischen einem Teil der Spannung am Kondensator 21 und dem Spannungsabfall an der Induktivität 19, so daß der Thyristor 22 während des Fließens von Ladestrom nicht aufgesteuert werden kann. Bei Abwesenheit von Ladestrom liegen an der Steuerelektrode ein Teil der Spannung des Kondensators 21 und ein Teil der Spannung des von der Induktivität 19 erzeugten Nadelimpulses. Auf diese Weise wird der Entladeimpuls nahezu unmittelbar nach Ende des Ladeimpulses erzeugt Sofern es jedoch erwünscht ist, den Beginn des Entladeimpulses gegenüber der Beendigung eines Ladeimpulses zu verzögern, das heißt also eine Ruhepause zwischen Entlade- und Ladeimpulse zu schalten, kann das Aufsteuern des Thyristors 22 und des Transistors 4 verzögert werden. In jedem Fall hat der Entladeimpuls eine vorgegebene Zeitdauer, die geringer ist als das Intervall zwischen zwei Ladeimpulsen, so daß der Ladestrom nicht unterbrochen wird, sondern immer dann fließen kann, wenn die Ausgangsspannung der Stromquelle 2 die Batterieklemmenspannung übersteigt Die Entladeimpulse erscheinen etwa einmal pro Sekunde mit entsprechend der fortschreitenden Ladung und der sich erhöhenden Batterieklemmenspannung zunehmender Wiederholfrequenz. Diese Wiederholfrequenz läßt sich durch Ändern der Zeitkonstanten in der Abtasteinrichtung 5 variieren.

Wenn es erwünscht ist, die Batterie in einer verhältnismäßig kürzeren Zeitdauer gegenüber den in F i g. 2 gezeigten vierzehn Minuten aufzuladen, kann der Ladestrom erhöht werden. Dies resultiert selbstverständlich in einem schnelleren Anstieg der Batterieklemmenspannung, so daß die Entladeimpulse häufiger auftreten. Aus zehn NC-Zellen bestehende Batterien sind auf ihre Nennkapazität bereits in weniger als acht Minuten durch Anwendung der erläuterten Anordnung aufgeladen worden.

Es ist in jedem Fall erwünscht, die Aufladung zu beenden, sobald die Batterie ihre Nennkapazität bzw. ihre maximale Ladung erreicht hat Es hat sich gezeigt, daß die Batterieklemmenspannung beim Annähern an den Lade-Endzustand schnell ansteigt Dieser schnelle Anstieg ist eine sehr verläßliche Anzeige des Lade-Endzustandes der Batterie, wo hingegen die Batterietemperatur generell nicht als gute Anzeige verwendet werden kann, da sie bei Anwendung der erläuterten Anordnung während des Ladevorganges keinen großen Anstieg verzeichnet Bei aus zehn NC-Zellen bestehenden Batterien und Anwendung der Schaltungsanordnung findet ein schneller Spannungsanstieg von etwa 15,8 auf 17 Volt innerhalb von etwa einer Minute statt Diese Anstiegszeit hängt primär von der Größe des Ladestromes ab. Für die zehnzellige Batterie des beschriebenen Beispiels wurde demgemäß eine Batterieklemmenspannung von etwa 163 Volt als Anzeige dafür ausgewählt, daB die Ladezeit mit hohen Ladegeschwindjgkeiten beendet werden soll. Die erwähnte Spannung-wurde ausgewählt, um die Auswirkung, von übermäßiger Erwärmung zu vermeiden, die bei dieser Art von Zellen oberhalb von 17 Volt auftritt

Um dasLaden zu beenden, ist ein spannungsempfindficher Schalter mit einem Thyristor 24-vorgesehen, der in-Reihe mit einem strombegrenzenden Widerstand 25 an der Steuerelektrode des Thyristors 13 liegt Die

Steuerelektrode des Schalters (Thyristor 24) ist an einen Spannungsteiler angeschlossen, der aus in Reihe geschalteten Widerständen 26,27 und einer Zenerdiode 29 besteht; dieser Spannungsteiler ist parallel zu der aus Batterie 1 und Induktivität 19 bestehenden Serienschaltung geschaltet. Die Kathode des Thyristors 24 liegt an der Minusklemme der Batterie 1, das heißt an dem Verbindungspunkt zwischen Induktivität 19 und Batterie 1. Durch diese Schaltung und durch Verwendung eines ausreichenden Widerstandswertes im Ladestrompfad, wobei dieser Widerstand in dem Beispiel gemäß F i g. 1 von dem ohmschen Widerstand der Induktivität 19 gebildet wird, wird der den Thyristor 24 aufweisende Lade-Endschalter nur während der ladestromfreien Intervalle getriggert, so daß der Endschalter nur auf die Ruhespannung der Batterie anspricht, die eine wirksame Anzeige für den Ladezustand ist.

Wenn der schnelle Anstieg der Ruhespannung an der Batterie bei der Annäherung an den voll aufgeladenen Zustand stattfindet und die vorgegebene Klemmenspannung erreicht wird, wird der Schalter bzw. Thyristor 24 aufgesteuert und leitet den Steuerstrom für den Thyristor 13 ab. Hierdurch wird verhindert, daß der Thyristor 13 leitet, während der Thyristor 24 leitet, so daß die Schneiladung beendet wird.

Es hat sich gezeigt, daß es besonders vorteilhaft ist, die Impedanz der Induktivität 19 gleich der Innenimpedanz einer guten Batterie zu machen. Auf diese Weise hat die Schaltung eine eingebaute Sicherheitseinrichtung: Eine schlechte Batterie hat eine höhere Innenimpedanz und neigt daher dazu, beim Aufladen stärker aufzuheizen. Wenn für die Endabschaltung dieselbe Triggerspannung für den Thyristor 24 gewählt würde, könnte es geschehen, daß eine schiechte Batterie schon vor Erreichen dieser Spannung übermäßig stark erhitzt würde. Wegen der höheren Innenimpedanz wird die Batterieklemmenspannung jedoch den Spannungsabfall an der Induktivität 19 übersteigen und der Thyristor 24 auf diese höhere Spannung ansprechen. Das bedeutet also, daß der Thyristor 24 eher anspricht und den Ladevorgang vor Beschädigung der Batterie beendet

Es kann vorgesehen werden, die Batterie nach Beendigung der Schnelladung mit geringem Strom nachzuladen. Hierzu wird der Thyristor 13 durch einen verhältnismäßig hochohmigen Pfad überbrückt, so daß ein verringerter Strom in die Batterie fließt, wenn der Thyristor 13 sperrt Diese relativ hochohmige Brücke kann als alleiniges oder zusätzliches Element eine Glühlampe 28 enthalten, die heller brennt, sobald der wesentliche Teil des Ladestroms über die Brücke anstelle durch den Thyristor fließt; hierdurch wird eine visuelle Anzeige für die Beendigung der Schnelladung ermöglicht

Der geringe Strom der Nachladung betrug in dem erwähnten Ausführungsbeispiel etwa 140 Milliampere, der durch die aus der Parallelschaltung von Glühlampe 28 und Reihenwiderständen 14, 15 gebildete Brücke floß. Von diesen 140 Milliampere gelangen etwa 100 Milliampere zur Batterie, um diese leicht nachzuladen. Der restliche Strom fließt über die beiden aus Zenerdiode 29 sowie Widerständen 26 und 27 einerseits und Widerständen 16,17 und 18 andererseits bestehenden Spannungsteiler ab. per Strom durch die Überbrükkungswiderstande 14, 15 desThyristors 13 dient als Haltestrom für den Thyristor 24, um die Nachladung solange wie gewünscht fortzuführen.

Die in F i g. 1 gezeigte Schaltung hat einen bestimm ten Grad von Temperaturkompensation, um ein zu frühes Abschalten bei Aufheizung der Schaltungselemente zu verhindern. Normalerweise wird der Thyristor 24 mit zunehmender Temperatur schon bei kleineren Steuerströmen leitend, weil sich die Empfindlichkeit an der Steuerelektrode erhöht Als Ergebnis könnte also die Abschaltautomatik schon arbeiten, bevor die Batterie ihren gewünschten Ladungszustand erreicht hat. Die Zenerdiode 29 hat dagegen einen positiven Temperaturkoeffizienten, so daß der Spannungsabfall an der Diode mit zunehmender Temperatur zunimmt. Dieser sich erhöhende Spannungsabfall verringert die dem Thyristor 24 zugeführte Spannung und kompensiert somit die erhöhte Empfindlichkeit der Steuerelektrode.

Diese erhöhte Empfindlichkeit des Thyristors 24 bei zunehmender Temperatur kann im übrigen dazu benutzt werden, die Batterie vor erhöhten Temperaturen auf Grund von Überladung zu schützen. Hierzu kann der Thyristor 24 thermisch in Kontakt mit der aufzuladenden Batterie gebracht werden, so daß jede erhöhte Temperatur abgetastet wird und den Thyristor 24 zu einem entsprechend früheren Sperren bringt. Zwischen Steuerelektrode und Kathode des Thyristors 24 ist im übrigen ein Kondensator 30 geschaltet der zum Schutz von auf der Ladeleitung vorhandenen Spannungsimpulsen dient

Eine alternative Ausführungsform einer Ladeschaltung ist in Fig.7 gezeigt In beiden Schaltungen verwendete identische Bauteile haben dieselben Bezugszeichen.

Bei der Erläuterung der Arbeitsweise der in F i g. 1 gezeigten Schaltung war angenommen, daß eine aus zehn Zellen bestehende Batterie aufgeladen werden sollte. Zum Aufladen einer Batterie mit einer hiervon abweichenden Anzahl von Zellen hat die Zenerdiode in der Abschaltautomatik von der für die zehnzellige Batterie verwendeten Diode 29 (Fig. 1) abweichende Daten. Entsprechend geändert wird auch der ohmsche Widerstand der Induktivität 19, um eine Angleichung an die abweichende Innenimpedanz der jeweils anderen Batterie zu ermöglichen. Um die Verwendbarkeit der in F i g. 1 gezeigten Schaltung zum Aufladen verschiedenster Batterien zu ermöglichen, können mehrere Zenerdioden vorgesehen sein, die die verschiedensten Daten haben und mit einem mehrpoligen Schalter entweder an die Oberseite des Widerstandes 26 oder an die Kathode des Thyristors 13 gelegt werden können. Entsprechend läßt sich auch der Widerstand der Induktivität 19 variieren, um ihn an die jeweilig aufzuladende Batterie anpassen zu können.

In der Schaltung gemäß F i g. 7 sind zwei in Kaskade über einen Koppelwiderstand 62 verbundene Transistoren 500 und 51 parallel zur Batterie 1 geschaltet Die Kaskadenanordnung der Transistoren gemäß Fig.7

Ss stellt eine Verbesserung gegenüber dem einzelnen Transistor 4 der Fig. 1 dadurch dar, daß der PNP-Transistor 500 sehr schnell in die Sättigung gefahren wird; hierdurch ist es möglich, einen steileren Entladeimpuls für die Batterie 1 zu erzielen. Hinzu

kommt, daß durch den Transistor 51 eine Verstärkung des Basisstromes des Transistors 500 stattfindet, so daß letzterer sein Sättigungsgebiet schneller erreicht und den Strom über die gesamte Grenzfläche der Schichten leitet, so daß für die Übertragung nicht nur begrenzte

Bereiche verwendet werden, die zu einer übermäßigen Belastung des Transistors führen könnten.

In der Schaltung gemäß F i g. 7 wird ein Spitzenentladestrom zwischen 150 und 200 Ampere wahrend einer

Dauer von etwa einer Mikrosekunde beim Laden einer aus vier Zellen bestehenden Batterie verwendet. Diese Entladeimpulse erscheinen etwa achtmal pro Sekunde während des anfänglichen Ladezeitraumes. Die Zahl erhöht sich auf ungefähr elf pro Sekunde bei 5 Annäherung der Batterie an ihren vollen Zustand.

Beim Laden einer aus vier Zellen bestehenden Batterie liegt die normale Ruhespannung zwischen 6 und 6,2 Volt, wenn die beschriebene Schaltungsanordnung verwendet wird. Nimmt man also an, daß zum Laden einer aus vier Zellen bestehenden Batterie die in F i g. 7 gezeigte Schaltung verwendet werden soll, wird eine Zenerdiode 52 mit einer Zenerspannung von etwa 5 Volt verwendet Es hat sich allerdings gezeigt, daß 5-Volt-Zenerdioden einen Temperaturkoef fizienten von im wesentlichen Null haben, so daß die bei der Schaltung gemäß F i g. 1 vorhandene Temperaturkompensation im vorliegenden Fall beim Laden einer vierzelligen Batterie nicht gegeben ist. Um aber die sehr erwünschte Temperaturkompensation zu erreichen, wird eine aus einem Thermistor 53 und einem kleinen Widerstand 54 bestehende Reihenschaltung in die Zuleitung zur Steuerelektrode des Thyristors 24 gelegt Bei zunehmender Temperatur der Bauteile in der Schaltung und insbesondere bei zunehmender Temperatur des Thyristors 24 nimmt dessen Steuerempfindlichkeit zu, so daß er zu früh leiten könnte. Durch Verwendung des Thermistors 53 gemäß F i g. 7 führt ein Temperaturanstieg der Bauteile zu einer Abnahme des Widerstandes des Thermistors 53, so daß die Steuerelektrode des Thyristors 24 ein kleineres Steuersignal enthält, wodurch seine erhöhte Empfindlichkeit kompensiert und sichergestellt wird, daß er zu der gewünschten und notwendigen Zeit sperrt

Ergänzend ist es erwünscht zu verhindern, daß durch beim Anschalten des Gerätes bzw. Anklemmen der Batterie entstehende Spannungsimpulse der Thyristor 24 aufgesteuert wird und verhindert daß der gewünschte hohe Ladestrom fließen kann. Aus diesem Grund ist zwischen die Kathode und die Anode des Thyristors 24 ein Schalter 58 gelegt, der für einen kurzen Zeitraum geschlossen werden kann, nachdem die Batterie angeschlossen und die Ladevorrichtung eingeschaltet worden ist, um Impulse abzuleiten und die Stromleitung durch den Thyristor 24 zu verhindern. Anschließend wird der Schalter 58 wieder geöffnet worauf die Schnelladung beginnt, wobei Kondensatoren 57 und 59 noch auf der Ladeleitung entstehende Impulse ableiten.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Schaltungsanordnung zum Schnelladen einer elektrischen Batterie, mit einer Gleichstromquelle und mit einem steuerbaren Entladestrompfad für die Batterie, der jeweils bei einem vorbestimmten Wert einer Batteriekenngröße in Ladepausen kurzzeitig zuschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromquelle eine Impulsstromquelle ist, bei der nach jedem Ladeimpuls eine Strompause eintritt und daß das in einem Batteriekenngrößensensor (21) ermittelte Kenngrößensignal zusammen mit einem in einem Ladestromsensor (19) am Ende jedes Ladeimpulses erzeugte Hilfssignal ein Steuersignal bildet, das am Steuereingang (Thyristor 22) des Entladestrompfades (Transistor 4) liegt

   2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladestrompfad (Transistor 4) durch das Steuersignal impulsartig aufsteuerbar ist und jeder dadurch erzeugte Entladeimpuls eine Länge hat die kürzer ist als der Abstand zwischen zwei Ladeimpulsen.

   3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Entladeimpulse einstellbar ist vorzugsweise auf etwa zwei Mikrosekunden.

   4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wiederholfrequenz der Entladeimpulse bei Ladebeginn auf etwa 1 Hz einstellbar ist (und mit zunehmender Ladung auf etwa 2 Hz zunimmt).

   5. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Ladegleichrichter ein Vollweggleichrichter ist so daß die Frequenz der Ladeimpulse gleich der doppelten Netzfrequenz ist.

   6. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestrom auf einen anfänglichen Mittelwert einstellbar ist, der acht- bis zehnmal größer als der stündliche nominelle Ladestrom der Batterie ist.

   7. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwert der Entladeimpulse auf eine Stromstärke einstellbar ist, die etwa dem Einhundert- bis Zweihundertfachen des nominellen stündlichen Ladestroms der Batterie (1) entspricht.

   8. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladestrompfad von einem Transistor (4) gebildet ist dessen Emitter an der einen und dessen Kollektor an der anderen Klemme der Batterie (1) liegt

   9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß der Basis des Transistors (4) ein steuerbarer Halbleiterschalter (5) vorgeschaltet ist, der den Steuereingang für den Entladestrompfad bildet und an dessen Eingang das Steuersignal liegt.

   10. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß der Batteriekenngrößensensor einen Kondensator (21) als Zeit-Integrationsglied für einen Strom enthält der der Klemmenspannung der Batterie (1) zugordnet ist.

   11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet daß das vom Ladestromsensor (19) erzeugte Hilfssignal ein Impuls mit einer Polarität ist die gleich der Polarität der Ladung des Kondensators (21) ist und daß die Summe aus diesem Impuls und der am Kondensator (21) stehenden Spannung das Steuersignal ist, das bei Erreichen eines vorgegebenen Wertes den Entladestrompfsd (Transistor 4) durchschaltet

   12. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet daß der Ladestromsensor (19) eine Induktivität (19) aufweist an der das Hilfssignal am Ende jedes Ladeimpulses entsteht

   13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet daß die Induktivität (19)

   ι *> mit dem Kondensator (21) in Reihe geschaltet ist

   14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet daß die Induktivität (19) einen Ohm'schen Widerstandswert hat der einen Spannungsabfall erzeugt welcher gleich oder größer ist als die erhöhte Klemmenspannung der Batterie bei fließendem Ladestrom.

   15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet daß der Ohm'sche Widerstand der Induktivität so groß ist daß die

   -'3 Schaltspannung für den Steuereingang (Thyristor 22) während des Fließens von Ladestrom unerreicht bleibt

   15. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge-

   :o kennzeichnet daß im Ladestromkreis für die Batterie (1) ein in Abhängigkeit von der Klemmenspannung steuerbarer Schalter (3) liegt

   17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet daß der Schalter (3) von einem Thyristor (13) gebildet ist

   18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß dem Steuereingang des Schalters (3) ein Grenzspannungswächter (24 bis 27,29) vorgeschaltet ist der auf die Lade-Endspan nung der Batterie (1) einstellbar ist und beim Erreichen dieser Spannung ein Abschaltsignal an den Schalter (3) gibt.

   19. Schaltungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen von dem Schalter (3) unabhängigen Nachlade-Stromkreis (28) für die Batterie (1).

   20. Schaltungsanordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet daß der Nachlade-Stromkreis parallel zum Schalter (3) geschaltet ist und

   ~>fl einen größeren Durchlaßwiderstand besitzt als der Schalter (3) in dessen geschlossener Stellung.