DE3630421C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft ein Batterie-Ladegerät nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (DE 30 41 202 A1).
Die Verwendung von tragbaren Geräten, die mit einer eingebauten, wiederaufladbaren Batterie betrieben werden, nimmt zu. Dies bedeutet zugleich eine Zunahme des Bedarfs an Batterie-Ladegeräten, die von einer Gleichspannungsquelle, etwa einer Autobatterie oder dgl., also netzunabhängig, aufgeladen werden können. In den letzten Jahren werden zunehmend Batterien verwendet, deren Ladespannung der Klemmenspannung einer Autobatterie entspricht oder größer als diese ist. Um ein Aufladen von Batterien unter Verwendung solcher Spannungsquellen zur verwenden, wurden bereits Batterie-Ladegeräte mit einem Aufwärts-Transformator vorgeschlagen, beispielsweise ist ein solches Batterie-Ladegerät in der US-PS 35 94 627 gezeigt. Der Aufwärtstransformator, wie er bei dem Stand der Technik verwendet wird, hat eine Primärwicklung, die mit der Gleichspannungsquelle über einen Schalttransistor gekoppelt ist, eine Sekundärwicklung, die mit der zu ladenden Batterie gekoppelt ist und eine Rückkopplungswicklung, die mit dem Schalttransistor einen Schaltkreis bildet. Der Schalttransistor wird durch einen geeigneten Schwingkreis so gesteuert, daß er alternierend ein- und ausschaltet und so eine induzierte Spannung über der Sekundärwicklung des Aufwärtstransformators aufbaut.
Eine typische Anordnung des vorbekannten Batterie- Ladegeräts ist beispielhaft in Fig. 3 der Zeichnungen erläutert. Dabei wird eine Gleichspannungsquelle S mit der zu ladenden Batterie über einen Aufwärtstransformator T verbunden, der eine Primärwicklung L1, eine Sekundärwicklung L2 und eine Rückkopplungswicklung L3 aufweist. Die Primärwicklung L1 nimmt den Strom von der Gleichspannungsquelle S während des Betriebs des Schalttransistors Q auf. Der Schalttransistor Q bildet mit einem Startwiderstand R1, einem Widerstand R2, einem Kondensator C und der Rückkopplungswicklung L3 einen Sperrschwinger, der den Transistor Q mit einer geeigneten Frequenz alternierend ein- und ausschaltet. Der Sperrschwinger liefert einen unterbrochenen Strom an die Primärwicklung L1 des Aufwärtstransformators T, welcher mit der Induzierung einer erhöhten Spannung über der Sekundärwicklung L2 antwortet. Die sich ergebende Wechselspannung wird sodann von einer Halbwellengleichrichterdiode D gleichgerichtet, um über die Batterie B zur Einspeisung eines Ladestroms in diese gelegt zu werden. Diese vorbekannte Schaltungsanordnung hat jedoch den Nachteil, daß der Energieverlust mit dem Anstieg der zum Laden erforderlichen induzierten Spannung ansteigt. Dies ergibt sich unmittelbar aus der folgenden Gleichung, die den Energieverlust Ws in dem Aufwärtstransformator angibt:
Ws = (1-η)E0I0 = (1-η)E1I1/η,
wobei E0 die Klemmenspannung der Gleichspannungsquelle S, I0 einen in die Primärwicklung L1 fließenden Strom, E1 die über die Sekundärwicklung L2 induzierte Spannung, I1 den Ladestrom zu der Batterie B und η den Wirkungsgrad des Transformators angibt. Es ergibt sich aus dieser Gleichung, daß der Energieverlust Ws mit der erforderlichen induzierten Spannung E1 direkt proportional ist. Der Anstieg der induzierten Spannung erfordert weiter, daß der Transformator eine große Leistungsfähigkeit hat und daher groß und in der Herstellung teuer ist.
In der DE 30 41 202 A1 wird eine modifizierte Sperrwandlerschaltung vorgeschlagen, bei der von der Sekundärwicklung des Wandlers eine gegebenenfalls unter Steuereinfluß stehende Verbindungsleitung zum Eingangspotential zurückgeführt ist. Im Aufwärtsregelbereich bei relativ zur Ausgangsspannung kleinerer Eingangsspannung gelangt so ein Teil der zu übertragenden Energie über diese Verbindungsleitung auf die Sekundärseite, während im Abwärtsregelbereich bei mit Bezug auf die Ausgangsspannung größerer Eingangsspannung der Sperrwandlerbereich, also der Energiefluß von der Primärwicklung zur Sekundärwicklung auch völlig unterbrochen sein kann.
Diese Schaltungsanordnung ist jedoch zum einen noch verbeserungsfähig, zum anderen ist sie schaltungstechnisch recht aufwendig.
Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, ein Batterie-Ladegerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei einfacherem Aufbau eine Beschädigung der Batterie beim Laden durch Überlastung und/oder Überladung verhindert.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe mit einem Batterie- Ladegerät nach Anspruch 1 gelöst.
Dabei ist ein Gatter so angeordnet, daß es den Betrieb des Gleichspannungs-Wandlers solange unterbricht, wie die Klemmenspannung der Gleichspannungsquelle die jeweilige Spannung über der zu ladenden Batterie übersteigt, oder aber wenn die Batterie über das vorgegebene Maß hinaus überladen ist. Aufgrund der Verwendung des Gatters bleibt die Batterie frei von der Aufnahme eines unerwünschten Überstroms und wird weiter vor einer Überladung geschützt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert wird. Dabei zeigt
Fig. 1 ein Schaltbild eines Batterie-Ladegerätes nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 ein Wellenformbild, das die Betriebsweise des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels verdeutlicht; und
Fig. 3 ein Schaltbild eines vorbekannten Batterie- Ladegerätes.
Fig. 1 zeigt ein Batterie-Ladegerät nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung, für das eine Auto- Batterie oder eine Notstrom-Batterie als Gleichspannungsquelle zum Aufladen einer wiederaufladbaren Batterie, wie sie bei einer Vielzahl von tragbaren Geräten verwendet werden, eingesetzt werden kann. Das Batterie- Ladegerät weist einen Gleichspannungs-Wandler 40 auf, der zwischen einer Gleichspannungsquelle S2 und einer aufzuladenden, wiederaufladbaren Batterie B2 angeordnet ist. Der Gleichspannungs-Wandler 40 weist einen Transformator 50 auf, der eine mit der Gleichspannungsquelle S2 verbundene Primärwicklung 51, eine mit der Batterie B2 verbundene Sekundärwicklung 52 und eine Rückkopplungswicklung 53 aufweist. Der Gleichspannungs- Wandler 40 weist weiter einen in Serie mit der Primärwicklung 51 des Transformators 50 in Serie liegenden Schalttransistor 61 und eine zwischen der positiven Seite der Batterie B2 und dem einen Ende der Sekundärwicklung 52 des Transformators 50 geschaltete gleichgerichtete Diode 41 auf. Der Schalttransistor 61 arbeitet mit der Primärwicklung 51, der Rückkopplungswicklung 53, einem RC-Netzwerk eines Startwiderstandes 65, eines Widerstandes 66 und eines Kondensators 67 unter Bildung eines Sperrschwingers 60 (der an sich bekannt ist) zusammen, so daß der Schalttransistor 61 alternierend ein- und ausgeschaltet wird mit einer Frequenz, die durch die RC-Konstante des Schaltkreises bestimmt ist.
Die Sekundärwicklung 52 ist elektrisch in Serie mit der Gleichspannungsquelle S2 über eine Leitung A2 geschaltet, so daß die Batterie B2 den Ladestrom von der addierten Spannung aus der induzierten Spannung und der Spannung der Gleichspannungsquelle S2 erhält. Der verwendete Transformator 50 ist ein Abwärtstransformator, dessen Ausgang der Gleichspannungsquelle S2 aufaddiert wird, so daß eine Gesamtspannung erzeugt wird, die größer ist als die Spannung der Gleichspannungsquelle S2. Eine Serienkombination einer Leuchtdiode 42 und eines Widerstands 43 liegt über der Sekundärwicklung 52, wobei die Kathode der Diode 42 mit der Anode der Gleichrichterdiode 41 verbunden ist, so daß die Leuchtdiode 42 in jedem Halbzyklus der über der Sekundärwicklung 52 liegenden induzierten Gleichspannung oder dann, wenn die induzierte Spannung der Spannung der Gleichspannungsquelle S2 entgegengerichtet ist, leuchtet. Auf diese Weise kann jeder Halbzyklus, in dem die induzierte Spannung nicht auf die Spannung der Gleichspannungsquelle S2 aufaddiert wird, gut für die Anzeige des Ladebetriebes verwendet werden.
Bei einer Schaltungsanordnung, bei der die Spannung der Spannungsquelle S2 auf die induzierte Spannung zum Laden der Batterie B2 aufaddiert wird, kann der Energieverlust verglichen mit den vorbekannten Batterie- Ladegeräten, bei denen lediglich die induzierte Spannung des Abwärtstransformators zum Laden der Batterie verwendet wird (siehe dazu Fig. 3), weitgehend reduziert werden. Der Energieverlust Ws′ bei dem Laden der Batterie B2 unter Verwendung des der Erfindung zugrundeliegenden Gedankens kann durch folgende Gleichung dargestellt werden:
Ws′ = E0I0 - (E1-E0)I0 = (1-η′)E0I0
= (1-η′) (E1-E0)I1/η′,
wobei E0 die Klemmenspannung der Gleichspannungsquelle S2, I0 den in die Primärwicklung 51 fließenden Strom, E1 die Klemmenspannung der zu ladenden Batterie B2 und daher E1-E0 die über die Sekundärwicklung 52 sich entwickelnde notwendige Spannung, I1 den Ladestrom der Batterie und η′ den Wirkungsgrad des Transformators angeben. Unter der Annahme, daß kein wesentlicher Unterschied zwischen den Werten von η′ des Transformators 50 und η des bisher verwendeten Transformators besteht, wird der Energieverlust Ws′ (E1-E0)/E1 mal geringer sein als der Energieverlust Ws des vorbekannten Ladegerätes, da E0 ≠ 0 ist. Auf diese Weise ermöglicht das Batterie-Ladegerät nach der Erfindung ein Laden einer Batterie unter Verwendung eines kleineren und leichteren Transformators, was es ermöglicht, daß Batterie- Ladegerät kompakter und kostengünstiger herzustellen.
Eine Abwandlung des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels kann vorsehen, daß eine Überladungs-Anzeige vorgesehen ist, die vor einer Überladung der Batterie B2 warnt. Die Überladungs-Anzeige ist eine Leuchtdiode, deren Anode über einen Widerstand mit der positiven Seite der Batterie B2 und deren Kathode mit dem Abschnitt der Sekundärwicklung 52 verbunden ist, die dem mit der Anode der Gleichrichterdiode 41 verbundenen Ende gegenüber­ liegt. Wenn die Batterie B2 über ein durch den Widerstand bestimmtes Maß überladen ist, wird der Strom zu der Gleichspannungsquelle S2 von der Batterie B2 über die Leitung A2, die die Sekundärwicklung 52 in Serie mit der Gleichspannungsquelle S2 verbindet, zurückfließen, was ein Aufleuchten der Anzeige-Diode verursacht und so die unerwünschte Überladung anzeigt. Dies ermöglicht es, den Überladungs-Zustand der zu ladenden Batterie B2 zu erkennen, wobei dies einfach durch die Verwendung einer Serienschaltung der Leuchtdiode und des Widerstands, also durch kostengünstige Elemente, ermöglicht wird, ohne daß zusätzliche, teure Komponenten wie Transistoren oder Zenerdioden, wie sie ansonsten für diesen Zweck verwendet werden, erforderlich sind.
Es ist ein ODER-Gatter 81 vorgesehen, das den Gleichspannungs-Wandler 40 hemmt, wenn entweder die Klemmenspannung der Gleichspannungsquelle S2 höher ist als die jeweilige Spannung der Batterie B2 oder aber wenn diese Spannung eine vorgegebene Vergleichsspannung übersteigt.
Dazu ist ein Komparator 70 für den Vergleich zwischen der Klemmenspannung der Gleichspannungsquelle S2 und der jeweiligen Spannung der zu ladenden Batterie B2 vorgesehen.
Ein erstes Spannungsteiler-Netzwerk bestehend aus einem Paar von über der Batterie B2 verschalteten Widerständen 71 und 72 liefert ein erstes Ausgangssignal, das die jeweilige Batteriespannung angibt, und dem invertierenden Eingang des Komparators 70 zugeführt wird, während ein zweites Spannungsteiler-Netzwerk bestehend aus einem Paar über der Gleichspannungsquelle S2 liegenden Widerständen 73 und 74 ein zweites Ausgangssignal liefert, das die Spannung der Spannungsquelle angibt und an dem nicht-invertierenden Eingang des Komparators 70 angelegt wird. Wenn die Klemmenspannung der Gleichspannungsquelle S2 höher ist als die jeweilige Spannung der Batterie B2, liefert der Komparator 70 über das ODER-Gatter 81 ein hohes Ausgangssignal an die Basis eines Überbrückungstransistors 68, der zwischen dem Basis- und dem Emitter-Anschluß des Schalttransistors 61 liegt, wobei ein hohes Signal den Überbrückungstransistor 68 durchschaltet, wodurch der Schalttransistor 61 gesperrt wird, was den Betrieb des Gleichspannungs-Wandlers 40 durch Abbrechen der Schwingung des Sperrschwingers 60 unterbricht. Wenn dies auftritt, entwickelt der Transformator 50 keine induzierte Spannung, so daß nur der Ladestrom aufgrund der Spannungsdifferenz zwischen der höheren Gleichspannungsquelle S2 und der Batterie B2 in die Batterie B2 fließt zur weiteren Ladung, bis die Spannung der Batterie B2 den Spannungswert der Gleichspannungsquelle S2 erreicht. Wenn die Batterie B2 auf eine Spannung aufgeladen ist, die der Spannung der Gleichspannungsquelle S2 entspricht, addiert der Gleichspannungs-Wandler 40 die induzierte Spannung des Transformators 50 auf die Gleichspannungsquelle S2 zum Liefern der Batterie B2 zuzuführenden Ladestroms.
Dies wird in den Wellenformbild von Fig. 2 verdeutlicht, in dem der Ladestrom Ic zunächst aufgrund der Spannungsdifferenz zwischen der Gleichspannungsquelle S2 und der Batterie B2 graduell auf null abnimmt, wenn die Batterie B2 bis auf den Spannungswert der Gleichspannungsquelle S2 ansteigt (Zustand I). Der Ladestrom Ic steigt dann plötzlich auf seinen maximalen Wert an bei Starten des Gleichspannungs-Wandlers 40 und fällt graduell ab, wenn die Batterie B2 weiter geladen wird auf einen höheren Wert als den der Gleichspannungsquelle S2 (Zustand II). Dieses Prinzip ermöglicht das direkte Laden einer Batterie B2 durch eine Gleichspannungsquelle S2 ohne Verwendung des Gleichspannungs-Wandlers 40, wenn eine ausreichende Differenz zwischen der Klemmenspannung der Gleichspannungsquelle S2 und der jeweiligen Spannung der Batterie B2 gegeben ist, wodurch die Batterie B2 durch die Aufnahme eines übermäßigen Ladestroms geschützt wird, der wahrscheinlich wäre, wenn die induzierte Spannung bei Vorliegen einer solch großen Spannungsdifferenz aufgegeben würde, was zu einer Zerstörung oder jedenfalls zu einer Beschädigung der Batterie B2 führen würde.
Ein Gleichspannungs-Netzwerk bestehend aus einer Zenerdiode 75 und einem Widerstand 76 liegt über der Gleichspannungsquelle S2 unter Schaffung einer festen Vergleichsspannung, die dem invertierenden Eingang eines weiteren Komparators 80 zugeführt wird. An dem nicht- invertierenden Eingang des weiteren Komparators 80 liegt die für die jeweilige Spannung der Batterie B2 repräsentative Spannung zwischen den Widerständen 71 und 72 des ersten Spannungsteiler-Netzwerks. Der weitere Komparator 80 liefert so ein hohes Signal an den Eingang des ODER-Gatters 81, wenn die Spannung der Batterie B2 die feste Bezugsspannung, die durch die Zenerdiode 75 bestimmt wird, übersteigt. Dies gibt an, daß die Batterie B2 überladen ist. Der andere Eingang des ODER-Gatters 81 ist mit dem Komparator 70 verbunden, der die Klemmenspannung der Gleichspannungsquelle S2 mit der jeweiligen Spannung der Batterie B2 vergleicht, wie dies oben beschrieben worden ist, so daß das ODER-Gatter 81 ein hohes Signal an die Basis des Überbrückungstransistors 68 anlegt, wenn entweder die Batterie B2 in einem Überladungszustand ist oder aber wenn die Gleichspannungsquelle S2 eine Spannung hat, die höher ist als die jeweilige Spannung der Batterie B2. In Antwort auf ein solches hohes Signal bewirkt der Überbrückungstransistor 68 eine Unterbrechung des Betriebs des Gleichspannungs-Wandlers 40, wodurch einerseits vermieden wird, daß ein zu hoher Strom in die Batterie B2 einfließt und zum anderen das Abgeben einer weiteren Spannung oder eines weiteren Ladestroms auf die voll geladene Batterie vermieden wird, wodurch eine sichere Beendigung des Ladevorgangs sichergestellt wird. Auf diese Weise kann die Batterie B2 davor geschützt werden, einen zu hohen Ladestrom aufzunehmen oder aber überladen zu werden, was beides die Batterie B2 beschädigen könnte und daher auszuschließen ist.

Claims (3)

1. Batterie-Ladegerät zum Laden einer Batterie (B2) von einer Gleichspannungsquelle (S2), mit einem zwischen die Gleichspannungsquelle (S2) und die zu ladende Batterie (B1, B2, B3) geschalteten Gleichspannungs-Wandler (40), wobei der Gleichspannungs-Wandler (40)
  • - einen Transformator (50), dessen Primärwicklung (51) mit der Gleichspannungsquelle verbunden ist und dessen Sekundärwicklung (52) mit der Batterie (B2) verbunden ist,
  • - einen in Reihe mit der Primärwicklung (51) des Transformators (50) liegenden Schalttransistor (61), der zur Entwicklung einer induzierten Wechselspannung über der Sekundärwicklung (52) alternierend ein- und ausgeschaltet wird und
  • - ein die induzierte Wechselspannung gleichrichtendes Gleichrichtmittel (41) zur Lieferung eines Ladestromes an die Batterie (B2)
aufweist, wobei Steuermittel (70, 80, 81) zum Hemmen des Gleichspannungs-Wandlers (40) vorgesehen sind und die Sekundärwicklung (52) in Reihe mit der Gleichspannungsquelle (S2) derart geschaltet ist, daß die induzierte Spannung des Transformators (50) sich auf die Klemmenspannung der Gleichspannungsquelle (S2) aufaddiert, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - ein Überbrückungstransistor (68) vorgesehen ist, der zwischen dem Basis- und dem Emitter-Anschluß des Schalttransistors (61) liegt,
  • - ein erster Komparator (70) vorgesehen ist, der die Klemmenspannung der Gleichspannungsquelle (S2) mit der jeweiligen Spannung über der Batterie (B2) vergleicht zur Schaffung eines ersten Ausgangssignals, wenn die erstgenannte Spannung die letztgenannte Spannung übersteigt,
  • - ein zweiter Komparator (80) vorgesehen ist, der die Klemmenspannung der Batterie (B2) mit einer vorgegebenen Vergleichsspannung vergleicht zur Schaffung eines zweiten Ausgangssignals, wenn die erstgenannte Spannung die letztgenannte Spannung übersteigt und
  • - ein Gatter (81) vorgesehen ist, das mit dem ersten und zweiten Komparator (70, 80) verbunden ist zur Lieferung eines Steuersignals auf die Basis des Überbrückungstransistors (68) bei Vorliegen entweder des ersten oder des zweiten Ausgangssignals, wobei der Überbrückungstransistor (68) in Abhängigkeit von dem Steuersignal den Basis/Emitter-Weg des Schalttransistors (61) überbrückt und so die Schwingung des Gleichspannungs- Wandlers (40) hemmt.
2. Batterie-Ladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleichrichtmittel (41) eine Halbwellen-Gleichrichterdiode ist, deren Anode mit dem einen Ende der Sekundärwicklung (52) des Transformators (50) und deren Kathode mit der positiven Seite der Batterie (B2) verbunden ist, und weiter eine Überladungs-Anzeige, bestehend aus einer Leuchtdiode, vorgesehen ist, deren Anode über einen Widerstand mit der positiven Seite der Batterie (B2) verbunden ist und deren Kathode mit dem anderen Ende der Sekundärwicklung (52) des Transformators (50) derart verbunden ist, daß ein optisches, einen von der zu ladenden Batterie (B2) zu der Gleichspannungsquelle (S2) fließenden Rückstrom anzeigendes Signal erzeugt wird, wenn die Batterie (B2) auf einen Spannungswert aufgeladen ist, der oberhalb eines Spannungswertes liegt, der durch den in Reihe mit der Leuchtdiode liegenden Widerstand bestimmt wird.
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