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Anlage zur Patentanmeldung
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Verfahren und Ladegerät zum Aufladen von Akkumulatoren Zusammenfassung
Es wird ein Verfahren zum Aufladen von Akkumulatoren vorgeschlagen, bei dem es möglich
ist, die Belastung eines Wechselspannungsnetzes während sogen.
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Niedrigtarifzeiten auf möglichst geringe Spitzenwerte zu beschränken
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während der gesamten Dauer einer Niedrigtarifzeit eine möglichst gleichmäßige
Belastung des Wechselspannungsnetzes zu erreichen. Das Verfahren besteht darin,
daß man in jedem Fall zunächst den Batterieladegrad ermittelt und dann entsprechend
der erforderlichen Nachladung den Ladevorgang entweder unter Ausnutzung des max.
zulässigen Ladestroms zu einem möglichst späten Zeitpunkt der Niedrigtarifzeit beginnen
läßt oder den Ladestrom von Anfang an auf solche Werte begrenzt, daß während der
gesamten Dauer der Niedrigtarifzeit gerade eine volle Aufladung des Akkumulators
erreicht wird. Gleichzeitig werden Batterieladegeräte mit entsprechenden Meß- und
Schalteinrichtungen zum Durchführen des Verfahrens angegeben.
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach
der Gattung des Hauptanspruchs.
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Es wird also als bekannt vorausgesetzt, daß man Akkumulatoren mit
Hilfe von Ladegeräten aus einem Wechselspannungsnetz bevorzugt während der Niedrigtarif'
zeiten
auf lädt, wobei der Ladezustand beim Aufladen insoweit berücksichtigt wird, als
gegen Ende des Ladeorgangs eine Absenkung des Batteriestromes erfolgt, um ein Gasen
der Batterie zu verhindern.
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Die Erfindung geht von der ueberlegung aus, daß man in Zukunft, insbesondere
für den Stadtverkehr, zur Verringerung der Luftverschmutzung verstärkt ELektrofahrzeuge
einsetzen wird, deren Batterien man dann natürlich vorzugsweise aus Kostengründen
während sogen. Niedrigtarifzeiten, insbesondere während der Dauer der Gültigkeit
des Nachttarifs, aufladen wird. Ferner wird davon ausgegangen, daß die durch das
Speichervermögen der Akkumulatoren vorgegebene Reichweite der Elektrofahrzeuge im
Verlauf eines Tages nur selten voll genutzt werden wird, so daß angenommen werden
kann, daß die Akkumulatoren zu Beginn eines Ladevorgangs nur teilweise entladen
sind. Geht man schließlich davon aus, daß die Batterieladegeräte, wie dies bei anderen
elektrischen Verbrauchern wie z.B. Nachtspeicheröfen der Fall ist, in großer Anzahl
alle mit Beginn der Niedrigtarifzeit automatisch oder von Hand eingeschaltet werden,
dann ergibt sich trotz der Tatsache, daß viele Akkumulatoren nur teilweise entladen
sind, zunächst einmal eine hohe Belastung des Wechselspannungsnetzes, da alle angeschlossenen
Ladegeräte mit ihrer vollen Leistung arbeiten und dann je nach dem Anfangsladegrad
der einzelnen Akkumulatoren die aufgenommene Leistung reduzieren und schließlich
abschalten. Gegen Ende der Niedrigtarifzeit wird also die Netzbelastung durch die
Ladegeräte deutlich abnehmen. Dies hat aber zur FoLge, daß die Leistungsfähigkeit
des Wechselspannungsnetzes während der Niedrigtarifzeiten, insbesondere während
der Nachtzeit, nur unvollkommen genutzt wird.
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Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß während der Niedrigtarifzeiten
eine gleichmäßigere Belastung des Wechselspannungsnetzes erreicht wird, und daß
ausgeprägte Belastungsspitzen weitgehend vermieden werden. Insbesondere ergibt sich
dann, wenn das Einschalten der Ladegeräte automatisch in Abhängigkeit vom Batterieladegrad
solange verzögert wird, daß die restliche Niedrigtarifzeit
zur
Volladung noch ausreicht, der Vorteil, daß das Wechselspannungsnetz zu Beginn einer
Niedrigtarifzeit durch die erfindungsgemäß zeitlich gesteuerten Ladegeräte nur wenig
belastet wird, so daß auch dann, wenn außer den erfindungsgemäßen Ladegeräten auch
zeitlich nicht gesteuerte Ladegeräte eingesetzt werden,insgesamt eine gleichmäßigere
Belastung des Wechselspannungsnetzes erreicht wird. Unter der Voraussetzung, daß
alle Ladegeräte oder zumindest der überwiegende Teil derselben nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren arbeitet, ist es dagegen günstiger, zwar die gesamte Niedrigtarifzeit
zur Aufladung der Akkumulatoren zu nutzen, aber deri Ladestrom von Anfang an automatisch
soweit zu reduzieren, daß die Akkumulatoren am Ende der Niedrigtarifzeit gerade
voll geladen sind. Auch in diesem Fall verringert sich jedenfalls die max. Netzbelastung
und man erhält während der gesamten Niedrigtarifzeit eine weitgehend gleichmäßige
Belastung des Wechselspannungsnetzes, wodurch insgesamt ein wirtschaftlicher Strombezug
ermöglicht wird, da die vorhandene Netzkapazität optimal genutzt wird.
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Besonders vorteilhaft läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren mit
Ladegeräten gemäß den Ansprüchen 4 bis 14 durchführen, da mit den dort vorgeschlagenen
Meß-und Schalteinrichtungen das gewünschte Ladeprogramm wirtschaftlich und zuverlässig
verwirklicht werden kann.
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Zeichnung Ausführungsbeispiele von Ladegeräten zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens sind in mehreren Figuren in der Zeichnung dargestellt,
welche auch Diagramme wesentlicher Funktionen umfasst,und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des Teils der Schaltung
eines Ladegeräts zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welcher eine
der für die Ladung noch zur Verfügung stehenden Restzeit entsprechende Spannung
erzeugt; Fig. 2 ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Teilschaltung gemäß
Fig. 1; Fig. 3 eine graphische Darstellung des Verlaufs der für die Ladung noch
zur Verfügung stehenden Restzeit;
Fig. 4 ein Schaltbild eines Ladegeräts
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, jedoch ohne den Schaltungsteil
gemäß Fig. 1 oder 2; Fig. 5 eine graphische Darstellung des Verlaufs einer dem Entladezustand
eines zu ladenden Akkumulators entsprechenden Spannung, und Fig. 6 ein Schaltbild
desjenigen Teils eines Ladegeräts zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung,
mit dessen Hilfe die Steuerung des der Batterie zugeführten Stromes in Abhängigkeit
von der Restladezeit, vom Entladezustand und von vorgegebenen Grenzwerten erfolgt.
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Beschreibung der Erfindung a) Zeitgerechte Einschaltung: Wenn der
Beginn des Ladevorgangs gemäß einer ersten bevorzugten Form der Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens entsprechend der nachzuladenden LadungsmengebQ verzögert
werden soll, ist es erforderlich, während der Niedrigtarifzeit - welche gemäß den
eingangs gemachten Voraussetzungen für den Ladevorgang genutzt werden soll - jeweils
die für den Ladevorgang noch zur Verfügung stehende Restzeit tR und andererseits
die fehlende Ladungsmenge EQ zu messen. Ferner muß ein Ladegerät, welches einen
Ladestrom IL abzugeben vermag, bei Berücksichtigung einer Nachladezeit tNL,in der
der Batterie ein verringerter Ladestrom zugeführt wird, eingeschaltet werden, wenn
die Bedingung 4 Q/IL = (1-p). KN/IL = tL> tR = tNT - tNL - t (1) erfüllt ist.
In dieser Gleichung (1) bedeuten: tL = erforderliche Starkladezeit; tNT = Dauer
der Niedrigtarifzeit; t = seit Beginn der Niedrigtarifzeit verflossene Zeit; p =
Ladegrad des Akkumulators; KN = Nennkapazität des Akkumulators; 1L = Ladestrom;
tR = Restladezeit; tNL = Nachladezeit.
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Die Bestimmung der für den Ladevorgang jeweils noch zur Verfügung
stehenden Restzeit tR erfolgt vorzugsweise mit der Schaltung gemäß Fig. 1. Diese
Schaltung weist eine Schaltuhr 1 auf, welche zu Beginn der Niedrigtarifzeit (t J
0) über eine Steuerleitung 1a einen freischwingenden Impulsgenerator 2 frei gibt
bzw. einschaltet, der eine Impulsfolge mit einer Impulsfolgefrequenz von 50 Hz erzeugt.
Der Impulsgenerator 2 besitzt einen Synchronisiereingang, der über einen Trenntransformator
3 mit dem Wechselspannungsnetz (50 Hz, 220 V) verbunden ist. Die Impulsfolge vom
Ausgang des Impulsgenerators 2 wird einem Frequenzteiler 4 zugeführt, der an seinem
Ausgang eine Impulsfolge niedrigerer Impulsfolgefrequenz liefert, beispielsweise
eine Impulsfolge, die gegenüber der Impulsfolge am Ausgang des Impulsgenerators
2 im Verhältnis 4096:1 heruntergeteilt ist. Bei dem angegebenen Teilerverhältnis
ergibt sich am Ausgang des Frequenzteilers 4 etwa alle 80 s ein Impuls, der einem
Binärzähler 5 zugeführt wird. Das an den Ausgängen des Binärzählers 5 in binärer
Form zur Verfügung stehende Zählergebnis wird mit Hilfe eines Digital-Analog-Wandlers
6 in eine äquivalente Spannung umgesetzt, die der seit Beginn der Niedrigtarifzeit
verflossenen Zeit t proportional ist. Diese Spannung wird dem einen Eingang (-)
eines Summierverstärkers 8 zugeführt. An dem anderen Eingang (+) des Summierverstärkers
8 wird eine Spannung angelegt, welche der um die Nachladezeit tNL verkürzten Gesamtdauer
tNT der Niedrigtarifzeit entspricht. Diese zweite Spannung kann, wie in Fig. 1 schematisch
angedeutet, beispielsweise an einem Potentiometer 7 eingestellt werden. Der Summiervesstärker
8 liefert an seinem Ausgang eine Spannung u1, welche bei vorgegebener Starkladezeit
tL der erforderlichen Restladezeit tR in Gleichung (1) entspricht. Am Ende der Niedrigtarifzeit
tNT setzt die Schaltuhr 1 den Impulsgenerator 2 über ein Signal auf der Steuerleitung
1a still und stelit gleichzeitig über eine zweite Steuerleitung 1b den Binärzähler
5 auf Null zurück.
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In den Fällen, in denen die Netzspannung erst zu Beginn der Niedrigtarifzeit
eingeschaltet, d.h. an die Primärseite des Trenntransformators 3 gelegt wird, beispielsweise
durch automatische Zählerumschaltung,kann die Schaltuhr 1 entfallen.
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Stattdessen sorgt, wie dies Fig.2 zeigt, ein bistabiles Flip-Flop
9 dafür, daß der Binärzähler 5 beim Anliegen der Netzspannung zählt, bis bei Erreichen
einer bestimmten Impulszahl, d.h. bei Erreichen eines vorgegebenen Zählerstandes,
das Flip-Flop 9 umgeschaltet wird und daraufhin den Impulsgenerator 2 sperrt und
den Binärzähler 5 wieder auf Null setzt. Die Impulszahl bzw. der Zählerstand werden
so gewählt, daß sie erst nach Ende der Niedrigtarifzeit erreicht werden. Auf diese
Weise wird vermieden, daß kurze Spannungsunterbrechungen während der Niedrigtarifzeit
zur Folge haben, daß der Binärzähler 5 zurückgesetzt wird und dann erneut zu zählen
beginnt. Im einzelnen ist das Flip-Flop 9 in der Schaltung gemäß Fig. 2 mit seinem
einen Eingang über eine Diode mit der Ausgangsseite des Trenntransformators 3 und
über einen Kondensator zur Glättung der gleichgerichteten Spannung mit Bezugspotential
verbunden. Der zweite Eingang des Flip-Flops 9 ist mit einem Ausgang des Binärzählers
5 verbunden, der einem höheren Stellenwert zugeordnet ist, als die Ausgänge des
Binärzählers 5, die mit dem Digital-Analog-Wandler 6 verbunden sind. An dem genannten
Ausgang erscheint also erst dann eine binäre "1", wenn an allen übrigen Ausgängen
des Binärzählers 5 bereits eine "1" angelegen hat. Die beiden Ausgänge des Flip-Flops
9 sind mit dem Steuereingang des Impulsgenerators 2 bzw. dem Rückstelleingang des
Binärzählers 5 verbunden. Im übrigen ist die Schaltung gemäß Fig. 2 ebenso aufgebaut
wie die Schaltung gemäß Fig. 1.
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Der zeitliche Verlauf der der Restladezeit tR entsprechenden Spannung
u1 ist in Fig. 3 für verschiedene Differenzen tNT - tNL als Parameter dargestellt.
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Die in Fig. 4 gezeigte Schaltung dient der Bestimmung der für den
Ladevorgang jeweils erforderlichen Zeit bzw. der Bestimmung der fehlenden Ladungsmenget
Q-Die Schaltung basiert darauf, daß mit steigendem Ladegrad die Ruhespannung eines
Akkumulators geringfügig zunimmt, und zwar nahezu unabhängig von der Temperatur.
Die KLemmenspannung des Akkumulators wird deshalb über einen Spannungsteiler 10
einem Verstärker 11 mit unterdrücktem Nullpunkt - sogen.
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Voltlupe - zugeführt, dessen Ausgangsspannung u2 über ein Potentiometer
12 so justiert wird, daß sich für einen vollständig geladenen unbelasteten Akkumulator
gerade die Ausgangsspannung Null ergibt. Mit Hilfe eines Potentiometers 13
in
einem Rückkopplungszweig des Verstärkers 11 kann dessen Verstärkungsgrad und damit
die Höhe seiner Ausgangsspannung an unterschiedliche Kapazitäten der Akkumulatoren
und an unterschiedliche Nennladeströme der Ladegeräte angepasst werden. Bei der
Schaltung gemäß Fig. 4 entspricht die Ausgangsspannung u2 des Verstärkers 11 der
erforderlichen Starkladezeit tL in Gleichung (1). Der Verlauf der Ausgangsspannung
u2 in Abhängigkeit vom Ladegrad p ist in Fig. 5 dargestellt, wobei das Verhältnis
der Nennkapazität KN zum Nennladestrom IL den Parameter für die einzelnen Kurven
darstellt.
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In der Schaltung gemäß Fig. 4 ist der Ausgang des Verstärkers 11 mit
dem einem Eingang (+) eines Komparators 14 verbunden, an dessen anderem Eingang
die Spannung u1 anliegt, welche mit einer der Schaltungen gemäß Fig. 1 oder 2 erhalten
werden kann. Wenn die Spannung u1 kleiner wird als die Ausgangsspannung u2, dann
schaltet der Komparator 14 ein Relais 15 ein, das nunmehr einen Ladevorgang für
einen aufzuladenden Akkumulator freigibt. Der von dem Relais 15 betätigte Schaltkontakt
15a kann beispielsweise im Eingangskreis eines üblichen Batterieladegeräts liegen.
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Um zu verhindern, daß der Komparator 14 sofort wieder ausschaltet,
wenn die Klemmenspannung des aufzuladenden Akkumulators aufgrund des Ladevorgangs
rasch ansteigt, wird ein Komparator 14 mit Hysterese verwendet, wie dies in der
Zeichnung angedeutet ist. Außerdem wird durch eine Dioden-Widerstands-Kombination
16- an dem Eingang (+) des Komparators 14,an dem die Ausgangsspannung u2 anliegt,
dafür gesorgt, daß nur positive Ausgangsspannungen u2 zum Komparator 14 gelangen.
Die Schaltung gemäß Fig. 4 gewährleistet ein zeitgerechtes Einschalten des Ladegeräts,
welches im übrigen, wie dies bereits oben angedeutet wurde, hinsichtlich der Steuer-
und Regeleinrichtungen, wie üblich aufgebaut sein kann.
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b) Bedarfsgerechte Leistungssteuerung Eine zweite günstige Möglichkeit
für die Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, einen teilweise
entladenen Akkumulator im wesentlichen während der gesamten Dauer einer Niedrigtarifzeit
bis zum Erreichen der Gasungsspannung mit einem konstanten Netzstrom aufzuladen,
dessen Höhe bereits zu Beginn des Ladevorgangs so festgelegt wird, daß die -fehlende
Ladungsmenge AQ mit Ablauf der Niedrigtarifzeit nachgefüllt ist. Dies ist dann der
Fall, wenn die Bedingung tR . 1L =a Q (2) eingehalten ist. Da der Netzstrom dem
Ladestrom annähernd proportional ist und als Wechselstrom einer Messung leichter
zugänglich ist, kann die Bedingung (2) durch die Bezi-ehung k.tR.INETZ =d Q <3)
ersetzt werden. Darin ist k eine Gerätekonstante.
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Eine derartige Steuerung des Ladevorgangs läßt sich mit der Schaltung
gemäß Fig. 6 erreichen. Die Schaltung gemäß, Fig. 6 besitzt drei Eingänge, von denen
der eine der Phasenleiter eines Wechselspannungsnetzes ist, über den ein Netzstrom
INETZ fließt. Dieser Eingang ist mit dem Bezugszeichen 23 bezeichnet. An den beiden
anderen Eingängen 24 und 25 liegt die Spannung u1 bzw. u2 an, die jeweils in der
vorstehend beschriebenen Weise gewonnen werden kann. Der Strom INETZ wird mit Hilfe
eines geeigneten Strommessers 17 gemessen, dessen Ausgang einerseits mit einem Multiplizierer
18 und andererseits mit einem Stromregler 21 verbunden ist. Statt des Netzstromes
INETZ kann natürlich auch der Ladestrom IL mit Hilfe eines geeigneten Strommessers
17a gemessen werden, dessen Ausgang dann mit dem Multiplizierer 18 und dem Stromregler
21 verbunden ist. Ein entsprechender Schaltungszweig ist in Fig. 6 gestrichelt angedeutet.
In dem Multiplizierer 18 wird eine dem gemessenen Netzstrom proportionale Spannung,
in der auch die Gerätekonstante k berücksichtigt ist, bzw. eine dem Ladestrom 1L
proportionale Spannung, mit der Spannung u1 multipliziert, welche der Restzeit tR
entspricht. Die durch diese Multiplikation erhaltene Ausgangsspannung des Multiplizierers
18 wird dem einen Eingang (-) eines Vergleichsverstärkers 19 zugeführt, dessen zweiter
Eingang (+) dem Eingang 25 der Schaltung entspricht, an dem die Spannung u2 anliegt,
die
der fehlenden Ladungsmenge AR entspricht. Der Vergleichsverstärker 19 integriert
einen eventuell bestehenden Betragsunterschied der an seinen beiden Eingängen liegenden
Spannungen auf und vergrößert oder verkleinert solange seine Ausgangsspannung, welche
dem Sollwert des Netzstromes entspricht, bis der tatsächliche Netzstrom INETZ innerhalb
der Leistungsgrenzen des Ladegeräts einen Wert annimmt, der die Bedingung (3) im
Falle der Meßstelle 17 bzw. die Bedingung (2) im Falle der Meßstelle 17a erfüllt.
Die Ausgangsspannung des integrierenden Vergleichsverstärkers 19 wird dem einen
Eingang eines Minimalwert-Verstärkers 20 zugeführt, an dessen zweitem Eingang eine
Spannung anliegt, die dem jeweils zulässigen Grenzwert des Ladestroms entspricht.
Der Minimalwert-Verstärker 20 liefert eine Ausgangsspannung als Führungsgröße für
den Stromregler 21. Die Ausgangsspannung des Minimalwert-Verstärkers 20 entspricht
dabei jeweils der kleineren der beiden Spannungen an seinen beiden Eingängen. Das
Ausgangssignal des Stromreglers 21 entspricht der Differenz zwischen dem Stromistwert
und dem Stromsollwert und liegt am Stelleingang eines stellbaren Gleichrichters
22, dessen Eingangsseite der Netzstrom INETZ zugeführt ist und dessen Ausgangsseite
einen Akkumulator 26 mit dem Ladestrom IL speist.
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Als Grenzwerte für den Minimalwert-Verstärker 20 können beispielsweise
während der Starkladestufe der Gerätenennstrom oder der max. zulässige Netzstrom
vorgegeben werden. Nach überschreiten der Gasungsspannung kann ferner as Grenzwert
derjenige Gasungsstrom vorgegeben werden, der für den betreffenden Akkumulator zulässig
ist. Die Umschaltung zwischen den Ladestufen kann dabei in spezieller Weise, beispielsweise
temperaturabhängig; gesteuert werden.