DE2051488C3

DE2051488C3 - Schaltungsanordnung zum Schnelladen einer elektrischen Batterie

Info

Publication number: DE2051488C3
Application number: DE2051488A
Authority: DE
Inventors: Wilford Benson Pacific Palisades Burkett; Robert Vernon Los Angeles Jackson
Original assignee: Mcculloch Corp Los Angeles Calif (vsta)
Current assignee: Mcculloch Corp Los Angeles Calif (vsta)
Priority date: 1969-10-20
Filing date: 1970-10-20
Publication date: 1978-05-11
Also published as: CA918746A; BE757704R; GB1293984A; SE371552B; FR2068759A2; US3614583A; FR2068759B2; DE2051488B2; DE2051488A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Schnelladen einer elektrischen Batterie mit einer Ladestromquelle, bestehend aus Transformator und Gleichrichter, und mit einem Schalter, der einen in Intervallen zugeführten Ladestrom jeweils bei Erreichen eines bestimmten Wertes einer vom Ladezustand der Batterie abhängigen, durch einen an die Batterie angeschlossenen Fühler erfaßten Kenngröße für ein kurzes Entladeintervall etwa konstanter, einstellbarer Dauer mit hohen, auf eine Last schaltbaren Entladestrom unterbricht nach Patent 16 38 0815

Eine solche Anordnung ist bekannt durch die BE-PS 10 108.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein möglichst rasches Laden von Batterien, insbesondere von gekapselten Zellen, mit hoher Ladegeschwindigkeit zu ermöglichen, ohne daß eine Beschädigung der Batterie infolge Oberladung befürchtet werden muß, wobei die Schaltungsanordnung außerdem mit einer Wechselstromquelle betrieben werden soll.

Bei der eingangs genannten Schaltungsanordnung ist dazu gemäß der Erfindung vorgesehen, daß die schaltbare Last aus der Reihenschaltung einer zweiten Sekundärwicklung des Transformators und einem steuerbaren Schalter besteht, der von dem Fühler steuerbar ist Dadurch wird die von der Batterie während des Entladevorganges abgegebene Energie in die Wechselstromquelle zurückgeleitet, statt in einem Widerstand vernichtet zu werden.

Zweckmäßig weist der Transformator eine dritte Sekundärwicklung auf, deren Ende mit dem Anfang der zweiten Sekundärwicklung sowie mit einer Klemme der Batterie verbunden ist und es besteht der Fühler aus einer Reihenschaltung, die einen kenngrößenabhängigen Widerstand sowie eine Zenerdiode enthält wobei die dem Widerstand abgewandte Elektrode der Zenerdiode über eine Rückstromsperre mit dem Anfang der dritten Sekundärwicklung und über einen weiteren Widerstacd mit dem Ende der dritten Sekundärwicklung verbunden ist Damit kann sehr feinfühlig der Umschaltzeitpunkt vom Laden zum Entladen der Batterie innerhalb einer Halbwelle der Wechselspannung bestimmt werden.

Als kenngrößenabhängiger Widerstand kann einerseits ein rein ohmscher Widerstand zur Bestimmung der Batterieklemmenspannung mit der Batterie verbunden sein; alternativ kann, wenn als Kenngröße die Temperatur oder Innendruck der Batterie gewählt wird, der kenngrößenabhängige Widerstand in seinem Widerstandswert von der Temperatur oder dem Innendruck der Batterie abhängig gemacht werden und an das Ende der zweiten Sekundärwicklung angeschlossen sein. Für eine genaue Signalgabe empfiehlt es sich dann, daß der kenngrößenabhängige Widerstand ein Brückenelement einer Wheatstone-Brücke ist

Die Erfindung wird nachstehend an r.wei Ausführungsbeispielen im einzelnen erläutert, welche in den beiden Figuren dargestellt sind. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 ein elektrisches Schaltbild eirer mit den Merkmalen der Erfindung ausgestatteten Schaltungsanordnung und

F i g. 2 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

In F i g. 1 sind Eingangsklemmen 60 und 61 dargestellt, an die übliche Wechselspannung (50 Kz) angelegt ist Ein Transformator 62 hat eine Primärwicklung 63 sowie eine erste Sekundärwicklung 64, eine zweite Sekundärwicklung 66 und eine dritte Sekundärwicklung 65. Die Primärwicklung 63 und ein Schalter 67 sind zwischen die Eingangsklemmen 60 und 61 in Reihe geschaltet. Auch die Sekundärwicklungen 64 und 65 liegen in Reihe. Die Reihenschaltung aus dem Anoden-Kathoden-Kreis eines steuerbaren Silizium-Gleichrichters 70 und der zu ladenden Batterie 71 liegt über der Sekundärwicklung 64. Die Reihenschaltung eines Widerstandes 72, eines Widerstandes 73 und einer Diode 74 ist über die Sekundärwicklung 65 gelegt. Die Diode 74 ist so gepolt, daß sie bei den gleichen Halbzyklen des Wechselstromes leitet wie der Silizium-Gleichrichter 70 (dieser ist so gepolt, daß er Strom von derjenigen Richtung leitet, in der die Batterie 71 geladen wird). Eine Diode 75 und ein Widerstand 76 sind in Reihe zwischen die Anode und die Steuerklemme des Silizium-Gleichrichters 70 geschaltet. Die Diode 75 ist

so gepolt, daß sie bei den gleichen Halbzyklen des Wechselstromes leitet wie der Silizium-Gleichrichter 70. Zwischen die Steuerklemme und die Kathode des Silizium-Gleichrichters 70 ist ein Widerstand 77 geschaltet Eine Zenerdiode 78 verbindet die Verbindungsstelle der Widerstände 72 und 73 mit der Verbindungsstelle der Widerstände 76 und 77. Die Zenerdiode 78 ist so gepolt, daß ihre Durchschlagspannung überschritten wird, sobald die Klemmenspannung der Batterie 71 über einen bestimmten Wert ansteigt Die Sekundärwicklung 66, ein Widerstand 79 und der Anoden-Kathoden-Kreis eines steuerbaren Siiizium-Gleichrichters 80 sind über den Klemmen der Batterie 71 in Reihe geschaltet Der Gleichrichter 80 ist so gepolt, daß er den von der Batterie 71 gelieferten Strom leitet Zwischen der Steuerklemme und der Kathode des Silizium-Gleichrichters 80 liegt der Widerstand 72.

Wenn der Schalter 67 geschlossen wird, wird Wechselstrom über den Transformator 6Γί zum Laden der Batterie 71 übertragen. Während derjenigen zo Halbzyklen des Wechselstromes in denen das mit einem Polaritätszeichen versehene Ende der Wicklung 64 positiv ist (im folgenden »positive Halbzyklen genannt), wird der Batterie 71 Ladestrom zugeführt Beim Beginn der positiven Halbzyklen leitet der Silizium-Gleichrichter 70 nicht Sobald die Spannung über die Klemmenspannung der Batterie 71 steigt, fließt ein geringer Ladestrom über die Diode 75, den Widerstand 76, den Widerstand 77 und auch durch die Steuerelektrode zum Kathodenanschluß des Silizium-Gleichrichters 70. Wenn die Spannung an der Sekundärwicklung 64 zunimmt, steigt auch der Ladestrom, bis der Strom durch den Kathoden-Steuerelektroden-Anschluß ausreicht, den Silizium-Gleichrichter 70 aufzusteuern. Der Silizium-Gleichrichter 70 stellt den Ladestrompfad her, indem er im wesentlichen den Strompfad durch die Diode 75, den Widerstand 76 und den Widerstand 77 kurzschließt, solange die Sekundärspannung oberhalb der Batterieklemmenspannung bleibt und der Silizium-Gleichrichter aufgesteuert ist Während der negativen Halbzyklen des Wechselstromes wird das in F i g. 1 mit dem Polaritätszeichen versehene Ende der Sekundärwicklung 64 negativ in bezug auf das andere Ende und der Silizium-Gleichrichter 70 wird nichtleitend. Während der positiven Halbzyklen des Wechselstroms wird das mit dem Polaritätszeichen versehene Ende der Sekundärwicklung 65 ebenfalls positiv in bezug auf das andere Ende. Demgemäß fließt ein in F i g. 1 mit /1 bezeichneter Teil des Stromes durch den Widerstand 72, den Widerstand 73 und die Diode 74. Während der negativen Halbzyklen hindert die Diode 74 einen von der Sekundärspannung erzeugten Strom am Fließen durch den Widerstand 72. Der während der positiven Halbzyklen durch den Widerstand 72 fließende Strom läßt eine Spannung am Widerstand 72 auftreten, welche 5s zusammen mit der Klemmenspannung der Batterie 71 die an der Zenerdiode 78 liegende Vorspannung darstellt Während jedes positiven Halbzyklus ist die Spannung am Widerstand 72 weniger der Stromkomponente /1 im Maximum bei der Spitze des positiven Halbzyklus; sie ist wesentlich geringer als die Klemmenspannung der Batterie 71, und ist wesentlich größer als die Änderung der Klemmenspannung der Batterie 71 während irgendeines bestimmten positiven Halbzyklus. (Die Zenerdiode 78 ist so ausgewählt, daß ihre Durchschlagspannung nicht überschritten wird, ehe die Klemmenspannung der Batterie 71 den gewählten Wert erreicht bei dem der Entladestrompfad zur Entladung anzulegen ist) Wenn die Klemmenspannung der Batterie 71 im Verlauf des Ladevorganges ansteigt, schlägt die Zenerdiode 78 demgemäß im wesentlichen an der Spitze des positiven Halbzyklus durch. Nachdem dies geschieht würde Strom von der Batterie 71 durch den Widerstand 77, die Zenerdiode 78 und den Widerstand 72, außer bei geringerem Widerstand des Strompfades durch den Widerstand 73, uie Diode 74 und die Wicklung 65 fließen. Der Teil des Stromes, der später von der Batterie 71 durch den Widerstand 72 fließt ist in F i g. 1 mit h bezeichnet. Nachdem die Zenerdiode 78 nahe der Spitze eines der positiven Halbzyklen durchgeschlagen hat, nimmt der von der Spannung an der Sekundärwicklung 65 erzeugte Stromanteil Z₁ ab, wenn die Sekundärspannung an der Wicklung 65 abnimmt Die Sekundärspannung an der Wicklung 65 fällt gegebenenfalls unter die von der Batterie 71 gelieferte Spannung, so daß der Stromanteil h von der Batterie 71 zu fließen beginnt. Wenn dies geschieht, wird der Steuerklemme des Silizium-Gleichrichters 80 eine positive Spannung aufgedrückt welche ihn wegen der von der Batterie 71 gelieferten Anoden-Kathoden-Vorspannung in den leitenden Zustand triggert Auf diese Weise wird an die Batterie 71 ein Entladestrompfad durch die Sekundärwicklung 66 angelegt und die Batterie 71 beginnt zu entladen. Die während des Entladungs- oder Depolarisationsvorgan· ges von der Batterie 71 freigegebene Energie wird durch die Sekundärwicklung 66 in die Primärwicklung 63 der Wechselstromquelle zurückgekoppelt. Bei den negativen Halbzyklen des Wechselstromes wird das mit den Polaritätszeichen versehene Ende der Sekundärwicklung 66 negativ in bezug auf das andere Ende, und der Silizium-Gleichrichter 80 wird mindestens dann nichtleitend, wenn die Sekundärspannung an der Wicklung 66 die Batterieklemmenspannung übersteigt. Demgemäß dient die Sekundärwicklung 65 dazu, an dem Widerstand 72 eine Spannung zu erzeugen, welche den Punkt des Durchschlagens der Zenerdiode 78 steuert nachdem die Klemmenspannung der Batterie 71 ihren gewählten Wert erreicht, nämlich an der Spitze des positiven Halbzyklus, und sie dient ferner zur Steuerung des Anlegens des Entladungsstrompfads und des Depolarisationsbeginns nach dem Durchschlagen der Zenerdiode 78, d. h. am Endabschnitt des positiven Halbzyklus im Anschluß an dessen Spitze. Die Sekundärwicklung 66 dient dazu, die von der Batterie 71 abgegebene Energie während des Entladevorganges in die Wechselstromquelle zurückzuleiten und die Entladung der Batterie 71 nach Ablauf eines gewählten Zeitraumes zu beenden.

In der Schaltungsanordnung der F ί g. 2 haben viele Bauteile die gleiche Wirkungsweise wie diejenigen in Fig. 1. Solche sind in Fig.2 mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet. Mit Hilfe der Schaltanordnung der Fig.2 wird die Batterie 71 grundsätzlich in der gleichen Weise geraden und entladen, mit der Ausnahme, daß das Entladen und somit die Depolarisation der Batterie 71 in Abhängigkeit von ihrer Temperatur oder ihrem Innendruck statt von ihrer Klemmenspannung eingeleitet wird Zu diesem Zweck ist eine Brückenschaltung 90 vorgesehen. Eine Diode 91 und ein Kondensator 92 sind in Reihe über die Sekundärwicklung 64 gelegt. Die Diode 91 ist so gepolt, daß sie im Bereich positiver Halbzyklen des Wechselstromes leitet. Widerstände 93, 94 und 95 sowie ein Übertrager 96, dessen Widerstand sich mit dem überwachten Parameter der Batterie 71 ändert, bilden

die Zweige der Brückenschaltung 90. Falls der
Innendruck der Batterie 71 überwacht wird, ist der
Übertrager 90 ein Dehnungsmeßstreifen auf der
Außenfläche des Zellengehäuses. Falls die Temperatur
der Batterie 71 überwacht werden soll, ist der 5
Übertrager % ein Thermowiderstand (Thermistor), der
ebenfalls auf der Außenseite des Batteriegehäuses
befestigt ist. Die Verbindungsstelle des Widerstandes 93
und des Übertragers 96 ist mit dem einen Ende des
Kondensators 92 verbunden, während mit dessen ₍₀
anderen Ende die Verbindungsstelle der Widerstände 94
und 95 verbunden ist. Die Endklemmen eines Potentiometers 97 sind einerseits mit der Verbindungsstelle der
Widerstände 93 und 94, andererseits mit der Verbindungsstelle des Widerstandes 95 mit dem Übertrager 96 15
verbunden. Der Abgriff des Potentiometers 97 liegt über
einen Widerstand 98 an der Kathode der Zenerdiode 78.
Die am Kondensator 92 auftretende Gleichspannung
wird auf die Eingangsklemmen der Brückenschaltung 90
gegeben. Da der Widerstand des Übertragers 96 im ₂o
Verlauf des Ladevorganges steigt, erhöht sich die
Spannung zwischen dem Abgriff des Potentiometers 97
und der negativen Klemme der Batterie 71 in der
gleichen Weise wie die Klemmenspannung der Batterie
71 bei der Schaltung gemäß Fig. 1. Die Einstellung des 25
Abgriffs des Potentiometers 97 ist mit Rücksicht auf die
Durchschlagspannung der Zenerdiode 78 so gewählt,
daß die erforderliche Zündspannung für den Silizium-Gleichrichter 80 am Widerstand 72 auftritt, sobald der
Übertrager 96 feststellt, daß der gewählte Temperatur- 30
oder Druckwert erreicht ist. Hierauf legt der Silizium-Gleichrichter 80 einen Entladungsstrompfad über die
Wicklung 66 an die Batterie 71 an, um diese zu entladen;
die während der Entladezeit freigegebene Energie wird
in die Wechselspannungsquelle zurückgespeist wie dies 35
im Zusammenhang mit F i g. 1 beschrieben wurde.

Die Schaltungsanordnung der F i g. 2 weist gewisse Sicherheitsmerkmale auf. Eines dieser Merkmale verhindert, daß die Batterie 71 entlädt, falls ihre Klemmen beim Anschluß an den Ladekreis vertausch! werden. Mit der Sekundärwicklung 64 und dem Ladekreis ist ein Unterbrecher 105 in Reihe geschaltet Dieser öffnet den Ladekreis, falls eine Batterie in der falschen Polung an den Kreis angeschlossen wird. Falls die Batteriespannung die von der Ladespannungsquelle gelieferte und an der Wicklung 64 auftretende Spannung unterstützt, fließt übermäßiger Strom, welcher vom Unterbrecher 105 erfaßt wird, worauf er der Kreis öffnet. Ein weiteres Sicherheitsmerkmal ist die Anordnung eines normalerweise offenen Relaiskontaktes 107 im Entladungsstrompfad der Batterie 71. Ohne den vom Kontakt 107 bewirkten Schutz würde die Möglichkeit bestehen, daß ein ständiger Entladungsst.'ompfad über die Sekundärwicklung 66, den Widerstand 79 und den Silizium-Gleichrichter 80 für den FaI bestehen würde, daß die Netzspannung ausfällt während der Silizium-Gleichrichter leitet. Ein derartige) AusfiMl würde nämlich verhindern, daß die negativer Halbzyklen des Wechselstromes den Silizium-Gleichrichter 80 nach einem Entladungsintervall in seiner nichtleitenden Zustand versetzen. Solange dem Lade kreis normal Wechselstrom zugeführt wird, ist dei Kondensator 92 voll geladen. Daher bleibt ein« Relaiswicklung 108, welche den Kontakt 107 steuert unc mit einem strombegrenzenden Widerstand 109 in Reihe über dem Kondensator 92 liegt solange erregt wie dei Ladekreis mit Netzspannung versorgt ist Bricht dies< aber zusammen, entlädt der Kondensator 92, und die Relaiswicklung 108 wird entregt so daß sie den Kontakt 107 öffnet und weitere Entladung der Batterie 71 verhindert

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Schnelladen einer elektrischen Batterie mit einer Ladestromquelle, bestehend aus Transformator und Gleichrichter und mit einem Schalter, der einen in Intervallen zugeführten Ladestrom jeweils bei Erreichen eines bestimmten Wertes einer vom Ladezustand der Batterie abhängigen durch einen an die Batterie angeschlossenen Fühler erfaßten Kenngröße für ein kurzes Entladeintervall etwa konstanter, einstellbarer Dauer mit hohem auf eine Last schaltbaren Entladestrom unterbricht, nach Patent 16 38 085, dadurch gekennzeichnet, daß die schaltbare Last aus der Reihenschaltung einer zweiten Sekundärwicklung (66) des Transformators (62) und einem steuerbaren Schalter (80) besteht, der von deai Fühler (77, 78, 72; 96, 97, 98, 78, 72) steuerbar ist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator eine dritte Sekundärwicklung (65) aufweist, deren Ende mit dem Anfang der zweiten Sekundärwicklung (64) sowie mit einer Klemme der Batterie (71) verbunden ist; daß der Fühler aus einer Reihenschaltung besteht, die einen kenngrößenabhängigen Widerstand (77; 96) sowie eine Zenerdiode (78) enthält, wobei die dem Widerstand (77, 96) abgewandte Elektrode der Zenerdiode über eine Rückstromsperre (74) mit dem Anfang der dritten Sekundärwick- lung (65) und über einen weiteren Widerstand (72) mit dem Ende der dritten Sekundärwicklung verbunden ist

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der kenngrößenabhängige Widerstand (77) zur Bestimmung der Batterieklemmenspannung mit der anderen Klemme der Batterie (71) verbunden ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß der kenngrößenabhängige Widerstand (96) in seinem Widerstandswert von der Temperatur oder dem Innendurck der Batterie abhängig ist und an das Ende der zweiten Sekundärwicklung (64) angeschlossen ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der kenngrößenabhängige Widerstand (96) ein Brückenelement einer Wheatstone-Brücke(90)ist.