DE2809712A1

DE2809712A1 - Batterieladesystem, insbesondere fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE2809712A1
Application number: DE19782809712
Authority: DE
Inventors: Willi Ing Grad Gansert; Edgar Dipl Ing Kuhn; Ulrich Ing Grad Munz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1978-03-07
Filing date: 1978-03-07
Publication date: 1979-09-20
Also published as: FR2419603A1; FR2419603B1; GB1603886A; DE2809712C2

Description

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Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Batterieladesyjtem mit einer Ladekontrolleinrichtung nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es ist schon ein solches Batterieladesystem aus der DE-OS 2 354 796 bekannt, bei der die Ladekontrolleinrichtung nur dann einen Störfall anzeigt, wenn ein Kurzschluß im Spannungsregler auftritt. Darüber hinaus leuchtet die Kontrolleuchte nur dann auf, wenn der Wechselstromgenerator unterhalb einer bestimmten Drehzahl arbeitet (AnlaßVorgang).

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße System mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die meisten denkbaren Störungen des gesamten Batterieladesystems durch die Ladekontrolleinrichtung angezeigt werden. Dies sind insbesondere auch Störungen, die bei intaktem Regler auftreten können. Die Ladekontrolleinrichtung bringt durch den erweiterten Anwendungsbereich eine wesentlich größere Sicherheit bei der Überwachung des Batterieladesystems. Durch die logische Verknüpfung mit dem Schaltzustand des Leistungshalbleiterschalters im Spannungsregler können die Ansprechschwellen für die Ladekontrolleinrichtung näher an den Reglersollwert gelegt werden, ohne daß bei kurzzeitigen Spannungsabweichungen bei intaktem Regler Fehlmeldungen erzeugt werden.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Batterieladesystems möglich. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines ohnehin im Halbleiter-Spannungsregler verwendeten Spannungsteilers zur Einstellung des Regler-Sollwerts zur Vorgabe der Schwellen der beiden Schwellwertstufen. Der Spannungsteiler soll dabei vorzugsweise aus mehreren gleichartigen Reihenwiderständen

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bestehen, und der Abgriff für den Reglersollwert soll vorzugsweise symmetrisch zwischen den Abgriffen für die beiden Schwellwertstufen liegen. Dadurch ist bei geeigneter Wahl der Schaltschwellen nur ein einziger Abgleich für den Reglersollwert und kein Abgleich mehr für die Schwellwerte erforderlich.

Weiterhin ist es besonders vorteilhaft, die aus logischen Verknüpfungsschaltungen und Schwellwertstufen bestehende Sicherheitsschaltung sowie den Halbleiter-Spannungsregler als einzigen integrierten Schaltkreis (IC) auszubilden, da dann eine gemeinsame Temperatur und ein gemeinsamer Temperaturgang vorliegen. Die Schaltschwellen der Sicherheitsschaltung können daher noch dichter an die Reglerkennlinie angenähert werden.

Vorteilhaft ist weiterhin die Reihenschaltung der Ladekontrolleinrichtung mit einem Halbleiterschalter zur Steuerung dieser Ladekontrolleinrichtung parallel zur elektrischen Batterie zu schalten und den Vorerregerstrom für die Erregerwicklung über einen vorzugsweise als Kaltleiterwiderstand ausgebildeten Widerstand zu führen. Bei geschlossenem Zündschalter und stehendem Wechselstromgenerator wird durch den Kaltleiter eine Batterieentladung über das Erregerfeld verhindert. Darüber hinaus steht dieser Erregerwicklung im Startfall ein erhöhter Erregerstrom zur Verfügung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schaltungsmäßige Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels und Fig. 2 ein Spannungsdiagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels.

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Beschreibung der Erfindung

Ein Drehstrom-Generator-System 10 enthält in bekannter Weise den aktiven Teil 11 des Generators mit nicht näher dargestellten Drehstromwicklungen, der mit Hilfe einer Erregerwicklung 12 erregbar ist. Dem aktiven Teil 11 ist ein Drehstrom-Brückengleichrichter 13 mit Plusdioden 13a und Minusdioden 13b nachgeschaltet, wobei die Anoden der Minusdioden 13b an Masse und die Kathoden der Plusdioden 13a an einer Plusleitung 14 liegen. Zwischen der Plusleitung 14 und Masse ist eine Batterie 15 geschaltet. Über einen Lastschalter 16, der symbolisch für mehrere Schalter angegeben ist, sind Lasten 17 an die Batterie 15 angeschlossen. Weiterhin enthält das Generatorsystem 10 Zusatzdioden 19, deren Kathoden an einer Klemme 20 (Anschluß D+) und deren Anoden am aktiven Teil 11 des Generators liegen. Ein an sich bekannter Spannungsregler 21 ist mit dem Generator 10 über die Klemme 20 sowie über eine weitere Klemme 22 (Anschluß DF) verbunden, wobei zwischen die Klemme 20, 22 die Erregerwicklung 12 geschaltet ist.

Der Spannungsregler 21 enthält zunächst einen zwischen die Klemme 20 und Masse geschalteten Spannungsteiler 23 zur Einstellung des Sollwerts für das Generatorsystem 11. Eine Stabilisierungs-Z-Diode 24 ist zwischen einem ersten Abgriff 25 und Masse geschaltet. Über einen weiteren Abgriff 26 am Spannungsteiler 23 wird dem Steuerteil 27 des Spannungsreglers 21 ein Sollwert zugeführt. Der Istwert wird dem Steuerteil 27 über die Klemme 20 z-ugeführt. Ein solches Steuerteil 27 kann in vielfältiger Weise.ausgeführt werden und ist z.B. aus den eingangs angegebenen Stand der Technik oder aus der DE-OS 2 610 137 bekannt. Der Ausgang des Steuerteils 27 ist mit der Basis eines vorzugsweise als Darlington-Transistor ausgeführten Leistungstransistors 28 verbunden, dessen Emitter an Masse und dessen-Kollektor sowohl an die Klemme 22, wie auch über -eine Freilaufdiode 29 an die Klemme 20 angeschlossen ist. 909838/0066

Eine Sicherheitsschaltung 30 enthält zwei als Komparatoren ausgebildete Schwellwertstufen 3I₅ 32, von denen jeweils ein Eingang an die Klemme 20 angeschlossen ist. Symmetrisch zum Abgriff 26 des Spannungsteilers 23 sind zwei weitere Abgriffe 33, 34 mit jeweils dem zweiten Eingang der Komparatoren J>1, 32 verbunden. Die Ausgänge der Komparatoren 3I₅ 32 sind über je ein Zeitverzögerungsglied 35 j 36 mit je einer, vorzugsweise als Schmitt-Trigger ausgebildeten Impulsformerstufe 37a 38 verbunden. Der Ausgang der Impulsformerstufe 37 ist über ein UND-Gatter 39 mit einem Eingang eines ODER-Gatters 40 verbunden, dessen Ausgang an die Basis eines Transistors 41 angeschlossen ist. Der Ausgang der Impulsformerstufe 38 ist über einen Inverter 42 an einen Eingang eines UND-Gatters 43 angeschlossen, dessen Ausgang mit einem weiteren Eingang des ODER-Gatters 40 verbunden ist. Die Klemme 22 ist einmal direkt mit einem zweiten Eingang des UND-Gatters 43 und weiterhin über einen Inverter

44 mit einem weiteren Eingang des UND-Gatters 39 verbunden.

Zwischen die Klemme 20 und Masse ist eine dritte Schwellwertstufe geschaltet, die aus der Reihenschaltung einer Z-Diode

45 mit einem Widerstand 46 besteht, wobei der Verknüpfungspunkt zwischen der Z-Diode 45 mit dem Widerstand 46 an die Basis eines Transistors 47 angeschlossen ist, dessen Emitter an Masse und dessen Kollektor über einen Widerstand 48 mit der Klemme 20 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 47 ist an einen weiteren Eingang des ODER-Gatters 40 angeschlossen.

Eine vierte, zwischen die Klemme 20 und Masse geschaltete Schwellwertstufe ist identisch wie die dritte Schwellwertstufe 45 bis 48 aufgebaut und besteht aus den Bauteilen 49 bis 52. Dabei ist der Kollektor des Transistors 51 an einen weiteren Eingang des UND-Gatters 39 angeschlossen.

An die Plusleitung 14 ist ein Schaltkontakt eines Zündschalters 53 angeschlossen, dessen anderer Kontakt einmal über einen

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Kaltleiter-Widerstand 54 mit der Klemme 20 und weiterhin über eine Leuchtdiode 55 und einen dazu in Reihe geschalteten Widerstand 56 mit dem Kollektor des Transistors 41 verbunden ist, dessen Emitter an Masse angeschlossen ist. Anstelle der Leuchtdiode 55 "können natürlich auch andere Anzeigevorrichtungen, wie z.B. eine Glühlampe oder ein Summer treten.

Zur Erläuterung des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels soll im folgenden das in Fig. 2 dargestellte Spannungsdiagramm herangezogen werden. Die Funktion des Wechselstromgenerators 10 im Zusammenhang mit dem Spannungsregler 21 und der elektrischen Batterie 15 ist im eingangs angegebenen Stand der Technik beschrieben. Das Prinzip beruht darauf, daß bei Abweichung der Spannung an der Klemme 20 von dem durch den Spannungsteiler 23 vorgegebenen Sollwert der Leistungstransistor 28 den Erregerstrom durch die Erregerwicklung 12 bei zu hoher Spannung sperrt und bei zu geringer Spannung, durchläßt·

Die Funktion der Sicherheitsschaltung soll im folgenden anhand der verschiedenen, vorkommenden Zustände und Störfälle im System erläutert werden:

A) Der Zündschalter 53 ist eingeschaltet, der Generator steht still, der Spannungsregler 21 ist funktionsfähig (Startfall). Die Spannung an der Klemme 20 liegt unterhalb der Mindestreglerspannung U . , wodurch die Schwelle der dritten Schwellwertstufe 4 5 bis 48 nicht erreicht ist und der Transistor 47 gesperrt bleibt. Das dadurch am Kollektor des Transistors 47 anliegende 1-Signal steuert über das ODER-Gatter 40 den Transistor 41 in seinen stromlietenden Zustand, wodurch die Leuchtdiode 55 aufleuchtet. Erst wenn die Spannung an der Klemme 20 die Spannung U

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überschreitet, wird der Transistor 47 stromleitend und die Leuchtdiode 55 erlischt.

B) Die Spannung an der Klemme 20, die normalerweise U20 beträgt, sinkt unter den Wert U20-AU„ ab. Dadurch wird die Schaltschwelle U20-AU„ des Komparators 32 erreicht bzw. unterschritten, und der Ausgang wechselt von einem 1-Signal auf ein O-Signal. Diese Schaltflanke wird im Verzögerungsglied 36 zeitlich verzögert und im Schmitt-Trigger 28 zu einer exakten Planke umgeformt. Daraufhin liegt dieses O-Signal über den Inverter 42 als 1-Signal an einem Eingang des UND-Gatters 43 an. Ist zu diesem Zeitpunkt der Transistor 28 in seinem stromsperrenden Zustand, so liegt eine Störung vor, da bei zu niedriger Spannung der Transistor 28 leiten müßte. Das an der Klemme 22 anliegende 1-Signal liegt am zweiten Eingang des UND-Gatters 43 an, durch dessen Ausgangssignal über das ODER-Gatter 40 und den Transistor 4l die Leuchtdiode 55 eingeschaltet wird. Ist dagegen der Transistor 28 bei Unterschreiten der Schwelle U20-Δϋρ stromleitend, so arbeitet der Spannungsregler 21 richtig, das UND-Gatter 43 bleibt gesperrt, und es wird kein Fehler angezeigt. Erst wenn natürlich die Schwelle U- unterschritten wird, so wird trotz leitendem Transistor 28 über die dritte Schwellwertstufe 45 bis 48 die Leuchtdiode 55 eingeschaltet. Das Verzögerungsglied 36 hat eine Verzögerungszeit, die etwas langer ist als die Schaltzeit des Spannungsreglers 21. Es soll verhindern, daß die Leuchtdiode 55 kurz aufleuchtet, bevor der Spannungsregler 21 nachgeregelt hat. Bei einer Schaltzeit des Spannungsreglers 21 von ungefähr 90 «Sek. kann die Verzögerungszeit des Verzögerungsglieds 36 auf ungefähr 100 wSek. eingestellt werden.

V.

C) Die Spannung an der Klemme 20 erreicht, bzw. Überschreitet die Schaltschwelle U20+ Δυ. des Komparators J>±. Der Ausgang

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dieses Komparators 31 wechselt dadurch von einem O-Signal auf ein 1-Signal, das wiederum verzögert an einem Eingang des UND-Gatters 39 anliegt·. Ist gleichzeitig der Transistor 28 stromleitend, so liegt wiederum eine Pehlfunktion vor, da bei erhöhter Generatorspannung dieser Transistor 28 sperren müßte. Ein dadurch an der Klemme 22 anliegendes O-Signal wird durch den Inverter 44 in ein 1-Signal umgewandelt. Das dadurch am Ausgang des UND-Gatters 39 entstehende 1-Signal schaltet wiederum über das ODER-Gatter 40 und den Transistor 4l die Leuchtdiode 55 ein. Bei richtigem Reagieren des Spannungsreglers 21, also bei gesperrtem Transistor 28, bleibt die Leuchtdiode 55 ausgeschaltet. Die Punktion des Zeitverzögerungsglieds 35 ist wiederum die gleiche, wie zu Punkt B) beschrieben. Unterhalb der Spannung U spricht die Schwellwertstufe 49 bis 52 nicht an, der Transistor 51 bleibt gesperrt, und an dem damit verbundenen Eingang des UND-Gatters 39 liegt ständig ein 1-Signal.

D) Hohe Überspannung durch Lastabschaltung bei abgeklemmter elektrischer Batterie 15· Bei einer solchen Lastabschaltung, die normalerweise nicht vorkommen dürfte, da die Batterie nicht abgeklemmt werden soll, können sehr hohe Spannungen auftreten, die die Leuchtdiode 55 und den Transistor 41 zerstören würden. Wird daher die Schwelle U der Schwellwertstufe 49 bis 52 überschritten, so wird der Transistor 51 stromleitend und sperrt das UND-Gatter 39, so daß der Transistor 4l gesperrt bleibt, unabhängig davon, ob der Spannungsregler 21 funktionsfähig ist oder nicht.

Die Sicherheitsschaltung 30 und der Spannungsregler 21 sind vorzugsweise auf einem'einzigen, integrierten Schaltkreis (IC) angeordnet und weisen einen Spannungsteiler 23 auf, der-entweder ebenfalls mitintegriert ist, oder der sich auf einer Dickschichtplatte befindet. Dadurch ergibt sich ein gleicher Temperaturgang der angesprochenen Baugruppen, so daß die Schaltschwellen der "Sicherheitsschaltung 30 dicht an die Reglerkenn-

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linie U2O angenähert werden können. Die Schwellen verändern sich dadurch in Abhängigkeit der Temperatur im gleichen Sinne wie die Reglerkennlinien.

Der Spannungsteiler 23 kann dabei aus gleichen Einzelwiderständen aufgebaut sein, so daß die Abgriffe für die Schwellen der beiden Schwellwertstufen 31, 32 lediglich symmetrisch zum Abgriff für den Reglersollwert gewählt zu werden brauchen, um symmetrische Schwellen zur Reglerkennlinie zu erhalten. Natürlich können die Schwellen auch asymmetrisch gewählt werden. Ein getrennter Abgleich für die Schwellen ist nicht mehr notwendig.

Der Kaltleiter-Widerstand 54 ersetzt die Anzeigeleuchte gemäß dem Stand der Technik. Er hat den Vorteil, daß im Startfall ein relativ hoher Erregerstrom der Erregerwicklung 12 zugeführt werden kann. Bleibt aber der Zündschalter 53 geschlossen und tritt der Generator 10 nicht in. Punktion, so nimmt der Strom ab und eine Batterieentladung wird über die Erregerwicklung 12 verhindert.

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Claims

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2.3.1978 Ve/Hm

ROBERT BOSCH GMBH, 7OOO STUTTGART 1

Ansprüche

( 1.jBatterieladesystem, insbesondere für Kraftfahrzeuge, mit einem eine Erregerwicklung und ein Gleichrichtersystem enthaltenden Wechselstromgenerator zur Speisung einer elektrischen Batterie, mit einem Halbleiter-Spannungsregler zum Konstanthalten der Generatorspannung, der einen in Reihe zur Erregerwicklung geschalteten Leistungshalbleiterschalter aufweist, und mit einer Ladekontrolleinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schwellwertstufen (3I₃ 32) zur Erkennung eines bestimmten Unter- und Überschreitens des Reglersollwerts vorgesehen sind, daß die Ausgangssignale der Schwellwertstufen (31, 32) sowie ein Signal zur Erkennung des Schaltzustands des Leistungshalbleiterschalters (28) einer logischen Verknüpfungsschaltung (39, 42 bis Hh) zuführbar sind, die sowohl bei Ansprechen der Schwellwertstufe (31) zur Erkennung eines bestimmten Überschreitens des Reglersollwerts und gleichzeitig vorliegendem stromleitendem Zustand des Leistungshalbleiterschalters (28), wie auch bei Ansprechen der Schwellwertstufe (32) zur Erkennung eines bestimmten Unterschreitens

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des Reglersollwerts und gleichzeitig vorliegendem stromsperrendem Zustand des Leistungshalbleiterschalters (28) ein Ausgangssignal abgibt, durch das die Ladekontrolleinrichtung (55) einschaltbar ist.

2. Batterieladesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladekontrolleinrichtung (55) aus wenigstens einer Anzeigeleuchte besteht.

3· Batterieladesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß den Schwellwertstufen (31, 32) eine Zeitverzogerungseinrichtung (35, 36) nachgeschaltet ist.

4. Batterieladesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungszeit der Zeitverzogerungseinrichtung (35, 36) größer ist, als die Schaltzeit des Halbleiter-Spannungsreglers (21).

5· Batterieladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Spannungsregler (21) einen Spannungsteiler (23) zur Einstellung des Regler-Sollwerts aufweist und daß Abgriffe (33, 34) dieses Spannungsteilers (24) zur Vorgabe der Schwellen der beiden Schwellwertstufen (3I₃ 32) dienen.

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6. Batterieladesystem nach Anspruch 5₃ dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (23) aus mehreren gleichartigen Reihenwiderständen besteht, und daß der Abgriff (26) für den Regler-Sollwert symmetrisch zwischen den Abgriffen (33₃ 3²I) für die beiden Schwellwertstufen (3I₃ 32) liegt.

7· Batterieladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine dritte Schwellwertstufe (45 bis 48) zur Erkennung einer Mindestreglerspannung (U . ) vorgesehen ist, die unterhalb der Schwelle der Schwellwertstufe (32) zur Erkennung eines bestimmten Unterschreitens des Regler-Sollwerts liegt, und daß bei Unterschreiten dieser Mindestreglerspannung (U . ) ein zusätzliches Einschaltsignal für die Ladekontrolleinrichtung (55) erzeugbar ist.

8. Batterieladesystem nach Anspruch 7₃ dadurch gekennzeichnet, daß das zusätzliche Einschaltsignal und das wenigstens eine Ausgangssignal der logischen Verknüpfungsschaltung (39_} ^2 bis 44) die Ladekontrolleinrichtung (55) über eine ODER-Verknüpfung (40) steuern.

9. Batterieladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine vierte Schwellwertstufe (49 bis 52) zur Erkennung einer maximalen Reglerspannung (U,,)

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vorgesehen ist, die oberhalb der Schwelle der Schwellwert-

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stufe (31) zur Erkennung eines bestimmten Überschreitens des Regler-Sollwert liegt, und daß bei Überschreiten dieser maximalen Reglerspannung (U ) ein Ausschaltsignal für die Ladekontrolleinrichtung (55) erzeugbar ist.

10. Batterieladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladekontrolleinrichtung (55) sowie ein in Reihe dazu geschalteter Halbleiterschalter (4l), an dessen Steuereingang die Steuersignale für die Ladekontrolleinrichtung (55) liegen, parallel zur elektrischen Batterie (15) geschaltet sind und daß ein Vorerregerstrom der Erregerwicklung (12) über einen Widerstand (54) zuführbar ist.

11. Batterieladesystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand (54) als Kaltleiterwiderstand ausgebildet ist.

12. Batterieladesystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aus logischen Verknüpfungsschaltungen und Schwellwertstufen bestehenden Sicherheitsschaltung (30) sowie der Halbleiter-Spannungsregler (21) als ein integrierter Schaltkreis (IC) ausgebildet sind.

13· Batterieladesystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß Widerstände auf einer Dickschichtplatte angeordnet sind.

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