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Regelungseinrichtung für ein aus einer Gleichspannungsquelle und einer parallelgeschalteten Speicherbatterie mit fester
Zellenzahl bestehendes Stromversorgungssystem, insbesondere für Fahrzeugbeleuchtungsanlagen
Die zur Regelung von Generatoren von Fahrzeugbeleuchtungsanlagen mit parallelgeschalteten Speicherbatterien bekannten Regelungsverfahren arbeiten zum Teil nach ganz verschiedenen Grundsätzen. Im allgemeinen wird eine möglichst konstante Spannung angestrebt und demgemäss wird der Generator auf konstante Spannung geregelt. Wenn jedoch die Batterie soweit verbraucht ist, dass sie neu aufgeladen muss, wird die Generatorspannung so weit erhöht, dass ein angemessener Ladestrom fliesst.
Ein bekanntes Regelungsverfahren dieser Art richtet sich nach der Strom-Spannungskennlinie des Generators, derart also, dass einem höheren Generatorstrom eine geringere Spannung entspricht. Diese Art der Regelung nimmt zwar auf eine optimale Ausnutzung des Generators, jedoch nicht der dem Generator parallelgeschalteten Speicherbatterie Bedacht.
Die günstigsten Betriebsverhältnisse für eine Speicherbatterie sind dann gegeben, wenn ihr Ladezustand (das Verhältnis der jeweils gespeicherten entnehmbaren Amperestunden zur Gesamtkapazität, gemessen in 0/0) bei kleinen Nachladeströmen immer möglichst gleichbleibend hoch gehalten wird, u. zw. so, dass eine möglichst grosse Kapazitätsreserve bei möglichst geringer Gasentwicklung und damit geringstem Wasserverbrauch resultiert.
Erfahrungsgemäss erweist sich eine Aufladung auf etwa 90 %) der Gesamtkapazität als ein optimaler Ladezustand. Während der Aufladung besteht ein mit der Batterietype gegebener Zusammenhang zwischen der jeweiligen Batterie-Klemmenspannung, wie beispielsweise für verschiedene Ladezustände (0 %, 50 90 % und 100 lo) aus dem Diagramm der Fig. 1 ersichtlich ist.
Die Regelkennlinie gemäss dem genannten bekannten Regelungsverfahren ist im Diagramm der Fig. 1 mit einer strichlierten Linie dargestellt ; es zeigt sich, dass im Zuge dieser Regelung die Batterie keine die Lebensdauer begünstigende Behandlung erfährt.
Etwas günstigere Betriebsbedingungen für die Batterie weist ein Regelungsverfahren auf, bei dem bei Überschreiten eines Batteriestrom-Grenzwertes nämlich dann, wenn die Batterie auf Grund niederen Ladezustandes erhöhte Aufnahmebereitschaft besitzt, ein Relais anspricht, das eine Erhöhung der an die Batterie gelangenden Spannung um einen bestimmten vorgegebenen Betrag bewirkt, so dass nunmehr die Batterie mit hohem Strom geladen wird, um möglichst bald den gewünschten Ladezustand zu erreichen. Das Erreichen dieses Ladezustandes wird durch das Ansprechen eines an den Batterieklemmen liegenden Relais signalisiert, das die Reduzierung der Generatorspannung auf ihren ursprünglichen Wert auslöst.
Bei diesem Verfahren ist jedoch dadurch, dass die Reduzierung der Generatorspannung ausschliesslich in Abhängigkeit von der Batteriespannung, unabhängig vom jeweiligen Ladestrom erfolgt, nicht gewährleistet, dass hiebei Volladezustand und geringer Wasserverbrauch gleicherweise erreicht werden.
Die Erfindung betrifft eine Regelungseinrichtung für ein aus einer Gleichspannungsquelle und einer parallelgeschalteten Speicherbatterie mit fester Zellenzahl bestehendes Stromversorgungssystem, insbesondere für Fahrzeugbeleuchtungsanlagen, mit Umschaltung zwischen Strom- und Spannungsregelung mittels einer denLadezustand der Batterie überwachenden Steuerschaltung, die die genannten günstigsten Betriebsverhältnisse für die Speicherbatterie gewährleistet und trotz voneinander abweichender Betriebs-
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arten von Umformern und Zuglichtgeneratoren für beide gleich gut verwendbar ist ; die Regelungseinrichtung eignet sich sowohl für Stahl- als auch Bleibatterien.
Schon bestehende Regelungseinrichtungen lassen sich ohne Schwierigkeiten mit der erfindungsgemässensteuereinrichtung kombinieren, so dass sich die Wirkungsweise der erfindungsgemässen Regeleinrichtung einstellt. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Verbraucher, insbesondere die Glühlampen der Fahrzeugbeleuchtung vor zu hohen Spannungen gesichert sind.
Die erfindungsgemässe Regeleinrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass einerseits ein Regler zur Regelung des Generatorstromes auf einen konstanten Wert bis zum Erreichen eines optimalen Ladezustandes der Batterie, wobei sich ein von der jeweiligen Verbraucherbelastung abhängiger Ladestrom einstellt, und anderseits ein weiterer Regler zur Regelung der Generatorspannung auf einen zum Pufferbetrieb bzw.
zum Bereitschafts-Parallelbetrieb herabgesetzten Wert (Bereitschaftswert), und schliesslich eine sowohl von der Batteriespannung als auch vom Ladestrom abhängige Steuerschaltung vorgesehen sind, welch letztere zur Umschaltung zwischen der Regelung auf konstanten Generatorstrom und der Regelung der Generatorspannung auf den Bereitschaftswert bei Ansteigen der Batteriespannung auf einen von der jeweiligen Ladestromstärke bei bestimmtem Ladezustand abhängigen Wert (Grenzspannung) dient, derart, dass die Grenzspannung der jeweiligen Ladestromstärke zumindest angenähert in gleicher Weise zugeordnet ist, wie die Batteriespannung der Ladestromstärke beim optimalen Ladezustand.
Der Umstand, dass zwischen Batteriespannung und Ladestrom bei einem Ladezustand ein nahezu linearer Zusammenhang besteht, gestattet es, die erfindungsgemässe Regelungseinrichtung mit verhältnis- mässig einfachen Mitteln auszubilden.
Bei Verwendung eines Gleichstromgenerators als Gleichspannungsquelle kann gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung die zur Veränderung der Generatorspannung dienende Veränderung des Erregungsflusses durch entsprechende Regelung des Erregerstromes erzielt werden.
Im Falle einer Regelung des Erregerstromes im Sinne einer mit dem Ladestrom wachsenden Generatorspannung kann entweder die Übereinstimmung der Differenz zwischen einer vom Istwert der Batteriespannung und einer vom Ladestrom abhängigen Grösse mit einer vorgegebenen konstanten Grösse oder die Übereinstimmung der Summe einer vom Ladestrom abhängigen und einer konstanten Grösse mit einer vom Istwert der Batteriespannung abhängigen Grösse zur Auslösung der Herabsetzung der Generatorspannung herangezogen werden.
Da bei auf einen Festwert begrenztem Generatorstrom ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem von den Verbrauchern aufgenommenen Strom und dem Ladestrom besteht, lässt sich gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung zur Darstellung der vom Ladestrom abhängigen Grösse ein zur Einschaltung der Verbraucher oder Verbrauchergruppen dienender Schalter benutzen.
Ausführungsbeispiele von Stromversorgungseinrichtungen nach der Erfindung, die insbesondere für Fahrzeugbeleuchtungsanlagen geeignet sind, sind in der Zeichnung dargestellt.
Das in der Fig. 2 dargestellte Stromversorgungssystem besitzt einen Generator G, dessen Erregerstrom entweder mittels eines Reglers RI oder mittels eines zweiten Reglers RU beeinflussbar ist. Der Regler RI dient zur Regelung des Generatorlaststromes auf einen festgelegten maximalen Wert, während mittels des Reglers RU die Generatorspannung auf einen konstanten Wert geregelt werden kann.
Die Umschaltung von Strom- auf Spannungsregelung erfolgt in einem Zeitpunkt noch bestehender Stromregelung, wobei die Klemmenspannung der Batterie jenen Wert besitzt, der dem vorhandenen Ladezustand nach Massgabe der gegebenen Zustandskennlinie (z. B. für 90 % Aufladung) bei jenem Strom entspricht, der nach Abzug des eben herrschenden Verbraucherstromes vom konstant gehaltenen Generatorstrom für die Ladung übrig bleibt.
Der Istwert des Generator-Laststromes wird als Spannungsabfall an einem im Laststromkreis des Generators liegenden Widerstand R gewonnen und dem Regler RJ zugeführt. Der dem Regler RU zugeführte Spannungsistwert ist unmittelbar von den Batterieklemmen abgenommen. Sowohl der Spannungsregler RU als auch der Stromregler RJ arbeiten als Tirrillregler, die mittels ihrer Vibrationskontakte ru bzw. ri Widerstände im Stromkreis der Erregerwicklung E des Generators G periodisch überbrücken. Die Umschaltung von Spannungs- auf Stromregelung erfolgt mittels eines Kontaktes al eines Relais A, dessen Zustand vom Ladezustand der Speicherbatterie S abhängig gemacht ist.
Solange der Generator G in Betrieb ist, wird der Energiebedarf des Verbrauchers von ihm gedeckt.
Wenn jedoch der Generator G stillsteht, trennt einRückstromschalter RS (Sperrventil) den Generator von der Speicherbatterie S ab und nun wird der Verbraucher V von der Speicherbatterie S gespeist. Wenn hiebei die Batteriespannung einen bestimmten Mindestwert unterschreitet, fällt ein Relais B ab und bringt mit einem Ruhekontakt bl das Relais A zum Ansprechen, das daraufhin mit einem
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eigenen Kontakt a2 einen Selbsthaltestromkreis herstellt und mit seinem Kontakt al jenen Widerderstand in den Stromkreis der Erregerwicklung E einschaltet, der durch den Vibrationskontakt ri des Stromreglers RJ periodisch überbrückt wird. Hiedurch wird der Generator so geregelt, dass er einen möglichst grossen Strom liefert, dessen Maximalwert dem Stromregler RJ eingegeben ist.
Dieser Wert ist so bemessen, dass ausser dem maximalen Verbraucherstrom noch ein hinreichender Ladestrom für die Speicherbatterie S gewährleistet ist. Im Zug der fortschreitenden Aufladung der Speicherbatterie S erhöht sich die an ihr liegende Spannung.
Der Widerstandswert, der aus dem Widerstand L und der diesem parallelgeschalteten Wicklung CI des Relais C gebildet ist, ist gering im Verhältnis zum Wert des inneren Widerstandes der Batterie B, so dass die Regelung der Generatorspannung ohne weiteres auf Grund einer Messung der Spannung der Batterie B erfolgen kann.
Es ist auch möglich, hiezu ein elektronisch wirkendes Relais zu verwenden, das eine Messung des Batteriestromes gestattet, ohne einen wesentlichen Unterschied zwischen Batterie- und Verbraucherspannung zu verursachen. In analogerweise ist auch der am Widerstand R auftretende Spannungsabfall vernachlässigbar.
Im Kennlinienfeld, das den Zusammenhang zwischen der Batteriespannung und Batteriestrom in Abhängigkeit vom Ladezustand zeigt und somit die Regelkennlinien der verschiedenen Ladezustände darstellt, ist jeder Kombination eines Spannungswertes mit einem Stromwert eindeutig ein Wert des Ladezustandes zugeordnet ; da dieser Zusammenhang wie aus der Fig. 1 hervorgeht, angenähert ein linearer ist, lässt sich das Zustandekommen einander entsprechender Strom- und Spannungswerte als Kriterium für das Erreichen eines bestimmten Ladezustandes auswerten. Wenn der erwünschte Ladezustand der Batterie z. B.
90 "/0 Auf1adungerreicht ist, wird von der Stromregelung auf Spannungsregelung umgeschaltet.
Bei der Ausführung nach Fig. 2 dient hiezu ein Relais C mit zwei Wicklungen, deren eine an der Batteriespannung liegt, während die zweite, mit C'bezeichnete Wicklung einem im Ladestromkreis der Speicherbatterie S geschalteten Widerstand L parallelgeschaltet ist und somit einen dem Ladestrom porportionalen Strom führt. Die Wicklungen C und C'sind gegensinnig geschaltet, so dass das Relais C bei einem grösseren Ladestrom auch erst bei einer höheren Batteriespannung anspricht. gemäss der dem gewünschten Ladezustand entsprechenden Kennlinie.
Im magnetischen Kreis des Relais C werden die beiden einander entgegengesetzt gerichteten Flüsse, gebildet aus den dem Ladestrom der Batterie proportionalen Amperewindungen und den entgegenwirkenden, der Batteriespannung proportionalen Am- pèrewindungen, derart überlagert, dass der Ansprechwert des Relais C einem erwünschten Ladezustand im Kennlinienfeld beispielsweise 90 % Aufladung zugeordnet ist.
Beim Ansprechen öffnet das Relais C mit seinem Ruhekontakt cl den Haltestromkreis des Relais
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det, um das Ansprechen des Relais C möglichst genau der gewünschten Kennlinie anpassen zu können.
Gemäss dem eindeutigen Zusammenhang zwischen Lade-und Verbraucherstrom bei festgelegtem Generatorstrom kann gegebenenfalls eine direkte Messung des Ladestromes entfallen, wenn dafür die Belastung des Generators G durch den Verbraucher V zur Beeinflussung der Umschaltspannung herangezogen wird.
Fig. 3 zeigt eine Schaltung für das Relais C, bei der keine an den Ladestromkreis geschaltete Wicklung benötigt wird, weil das Ansprechen des Relais C von der Anschaltung des Verbrauchers V an den Generator G abhängig gemacht ist. Mit W ist ein dem bei dieser Ausführung nur mit einer einzigen Wicklung ausgestatteten Relais C vorgeschalteter Widerstand bezeichnet, der durch einen Kontakt kl überbrückt wird, wenn der Verbraucher V mittels eines Schalters k2 eingeschaltet wird. Der Widerstand W mindert die Ansprechempfindlichkeit des Relais C. Durch die gleichsinnige Betätigung des Kontaktes kl mit dem Schalter k2 wird bei Einschaltung des Verbrauchers V der Widerstand W überbrückt und die Ansprechempfindlichkeit des Relais C erhöht, so dass es bei eingeschaltetem Verbraucher schon bei einer niedrigeren Spannung anspricht.
Die beiden Ansprechspannungen des Relais C (mit bzw. ohne Vorwiderstand) sind so gewählt, dass sie von ihren zugeordneten Ladestromstärken eine Abhängigkeit aufweisen, die dem Zusammenhang gemäss der Kennlinie bei optimalem Ladezustand entspricht.
Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführung wird der optimale Ladezustand ideal nur in zwei Betriebszuständen erreicht. Sind mehrere Verbraucherstufen vorgesehen, so kann die Ansprechempfindlichkeit des Relais C in mehreren Stufen verändert werden, beispielsweise durch mehrere Vorwiderstände, die einzeln mit Überbrückungskontakten versehen sind, die zugleich mit der Einschaltung zugeordneter Ver-
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braucher bzw. Verbrauchergruppen geschlossen werden.
Der in Fig. 3 gezeigten Anordnung kommt in Verbindung mit Fahrzeugbeleuchtungsanlagen besondere Bedeutung zu, weil hiebei auch eine Sicherung gegen eine unzulässige Spannungsbelastung der Glühlampen gewährleistet ist, da bei eingeschalteter Beleuchtung die Umschaltung von Strom- auf Spannungsregelung bei einer geringeren Spannung erfolgt als bei abgeschalteter Beleuchtung.
Der Umstand, dass zur Umschaltung der Regelung die an der Batterie liegende Spannung und nicht etwa die am Generator liegende Spannung herangezogen wird, bringt den Vorteil, dass die Umschaltung von der Spannungsregelung auf die Stromregelung bei minimaler Spannung nur dann erfolgt, wenn die Batterie tatsächlich im vorgesehenen Mass entladen ist. Bei bekannten Ladeeinrichtungen wird nämlich die zur Umschaltung der Regelung dienende Spannung am Generator abgenommen und verschwindet somit bei Stillstand des Generators, wenn der Rückstromschalter die Verbindung zwischen Generator und Batterie unterbrochen hat.
Hiedurch kommt es bei vollgeladener Batterie nach jedem Stillstand des Generators zu einer Umschaltung von der Spannungsregelung auf die Stromregelung und somit zu einer in diesem Fall überflüssigen Aufladung, was erhöhten Wasserbedarf zur Folge hat.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Funktion der drei Relais A, B und C der Ausführung nach Fig. 2 durch ein einziges an der Batteriespannung liegendes Umschalterelais D erfüllt wird, das unterschiedliche Ansprech- und Abfallspannung aufweist, derart, dass es bei minimal zulässiger Batteriespannung abfällt und bei Übereinstimmung der Batteriespannung mit der Umschaltespannung anspricht. Die Umschaltung zwischen Strom-und Spannungsregelung erfolgt mittels eines Umschaltkontaktes dl des Relais D.
Die Abhängigkeit der Ansprechspannung des Relais D wird wie beim Relais C in der Ausführung nach Fig. 2 durch eine an den Ladestromkreis geschaltete zweite Wicklung D'erzielt, der jedoch ein Selbstüberbrückungskontakt d2 parallelgeschaltet ist, der die Wicklung D' nach dem Ansprechen des Relais unwirksam macht, damit das Abfallen des Relais D ausschliesslich von der Batteriespannung und nicht etwa auch vom Batteriestrom abhängig ist.
Ein in den Ladestromkreis geschalteter Widerstand verursacht Energiever. luste, die in manchen Anwendungsfällen unerwünscht sein können. Um solche Verluste zu vermeiden, erweist es sich, wie in Fig. 5 dargestellt, als vorteilhaft, eine dem Ladegleichstrom proportionale Spannung mittels eines Gleichstromwandlers GW zu gewinnen, der durch einen Wechselstromgenerator WG gespeist ist und dessen Ausgangsstrom zur Beeinflussung der Ansprechempfindlichkeit des Relais D herangezogen ist.
Als Relais im Sinne der Erfindung gelten alle zur Ausführung der geforderten Schaltfunktionen geeigneten Einrichtungen, die insbesondere auch Halbleiter, gesteuerte Induktivitäten od. dgl. als Schaltstellen enthalten können.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Regelungseinrichtung für ein aus einer Gleichspannungsquelle und einer parallelgeschalteten Speicherbatterie mit fester Zellenzahl bestehendes Stromversorgungssystem, insbesondere für Fahrzeugbeleuchtungsanlagen, mit Umschaltung zwischen Strom- und Spannungsregelung mittels einer den Ladezu- stand der Batterie überwachenden Steuerschaltung, dadurch gekennzeichnet, dass einerseitsein Regler zur Regelung des Generatorstromes auf einen konstanten Wert bis zum Erreichen eines optimalen Ladezustandes der Batterie, wobei sich ein von der jeweiligenverbraucherbelastung abhängiger Ladestrom einstellt, und anderseits ein weiterer Regler zur Regelung der Generatorspannung auf einen zum Pufferbetrieb bzw.
zum Bereitschafts-Parallelbetrieb herabgesetzten Wert (Bereitschaftswert), und schliesslich eine sowohl von der Batteriespannung als auch vom Ladestrom abhängige Steuerschaltung vorgesehen sind, welch letztere zur Umschaltung zwischen der Regelung auf konstanten Generatorstrom und der Regelung der Generatorspannung auf den Bereitschaftswert bei Ansteigen der Batteriespannung auf einen von der jeweiligen Ladestromstärke bei bestimmtem Ladezustand abhängigen Wert (Grenzspannung) dient, derart, dass die Grenzspannung der jeweiligen Ladestromstärke zumindest angenähert in gleicher Weise zugeordnet ist, wie die Batteriespannung der Ladestromstärke beim optimalen Ladezustand.