CH633134A5

CH633134A5 - Circuit arrangement for charging a rechargeable battery

Info

Publication number: CH633134A5
Application number: CH789478A
Authority: CH
Inventors: Hans-Dietrich Girle; Rolf Reuber
Original assignee: Int Standard Electric Corp
Priority date: 1977-07-26
Filing date: 1978-07-21
Publication date: 1982-11-15
Also published as: DE2733594B2; FR2399149A1; DE2733594C3; DE2733594A1; FI67000B; FI782329A; FR2399149B1; FI67000C

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Weise insbesondere erreicht, dass jede in das Ladegerät einge- The invention relates to a circuit arrangement for achieving, in particular, that each inserted into the charger

Laden einer wiederaufladbaren Batterie gemäss dem Oberbe- 65 setzte Batterie zunächst an einen einmaligen Schnelladevorgriff des ersten Anspruchs. gang angeschlossen wird. Der Schnelladestrom kann unabhän- Charging a rechargeable battery in accordance with the top 65 initially requires a one-time quick-charging advance of the first claim. gear is connected. The fast charging current can be

Eine derartige Schaltungsanordnung ist beispielsweise aus gig von einem zulässigen Nachladestrom oder Ladeerhaltungs-der DT-AS 22 55 894 bekannt. ström auf den höchstzulässigen Ladestrom eingestellt werden. Such a circuit arrangement is known, for example, from gig from a permissible recharging current or charge maintenance - the DT-AS 22 55 894. current can be set to the maximum permissible charging current.

Damit ist die wiederaufladbare Batterie in kürzeste Zeit wieder betriebsbereit und wird durch einen geeigneten, gegenüber dem Schnelladestrom um ein Vielfaches kleineren Ladeerhaltungsstrom für eine beliebig lange Zeit im voll geladenen Zustand betriebsbereit gehalten. This means that the rechargeable battery is ready for operation again in the shortest possible time and is kept ready for operation for any length of time in the fully charged state by a suitable charge maintenance current that is many times smaller than the fast charge current.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: The invention is explained in more detail using a few exemplary embodiments. In the accompanying drawing:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Laden wiederaufladbarer Batterien in einer schematischen Blockdarstellung, 1 shows a circuit arrangement for charging rechargeable batteries in a schematic block diagram,

Fig. 2 zwei Spannungsdiagramme zur in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung, 2 shows two voltage diagrams for the circuit arrangement shown in FIG. 1,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Ladung wiederaufladbarer Batterien. Fig. 3 shows another embodiment of a circuit arrangement for charging rechargeable batteries.

Die in Fig. 1 in einem Blockschaltbild schematisch dargestellte Anordnung zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie 1 enthält einen in der Zeichnung mit einer dick ausgezogenen Linie dargestellten Ladestromweg 2, der aus einer Gleichspannungsquelle 3 gespeist wird und der einen Längstransistor 4 einer Transistoranordnung 5, einen den Ladestrom begrenzenden Widerstand 6 und zwei Anschlüsse 7 und 8 zum Anschluss der wiederaufladbaren Batterie in den Ladestromweg aufweist. Parallel zum Längstransistor 4 ist ein Ladeerhaltungszweig 9 mit einem Widerstand 10 angeordnet. Über den Anschlüssen 7 und 8 für die Batterie liegt ein Spannungsteiler, dessen Basiszweig aus einem Widerstand 11 und dessen Teilerzweig aus einem einstellbaren Widerstand 12 besteht. An den Abgriff 13 des Spannungsteilers ist der Überwachungseingang 14 einer Schwellwertanordnung 15 mit einem oberen Schwellwert Usi und einem unteren Schwellwert US2 für die überwachte Spannung angeschlossen. Der Ausgang 16 der Schwellwertanordnung ist mit dem Steuereingang der den Längstransistor enthaltenden Transistoranordnung verbunden. Dem Spannungsteiler 11/12 liegt ein Schwellwertschalter 17 parallel, der über eine Schaltverzögerungsanordnung 18 einen Schalter 19 in einem parallel zum Basiszweig 11 des Spannungsteilers liegenden Verkürzungszweig steuert. Neben dem Schalter 19 enthält der Verkürzungszweig einen Widerstand 20. The arrangement for charging a rechargeable battery 1, shown schematically in a block diagram in FIG. 1, contains a charging current path 2 shown in the drawing with a solid line, which is fed from a DC voltage source 3 and which has a series transistor 4 of a transistor arrangement 5, the charging current limiting resistor 6 and two connections 7 and 8 for connecting the rechargeable battery in the charging current path. A charge maintenance branch 9 with a resistor 10 is arranged parallel to the series transistor 4. Over the connections 7 and 8 for the battery there is a voltage divider, the base branch of which consists of a resistor 11 and the divider branch of which is an adjustable resistor 12. The monitoring input 14 of a threshold value arrangement 15 with an upper threshold value Usi and a lower threshold value US2 for the monitored voltage is connected to the tap 13 of the voltage divider. The output 16 of the threshold value arrangement is connected to the control input of the transistor arrangement containing the series transistor. A voltage switch 17 is connected in parallel to the voltage divider 11/12 and controls a switch 19 in a shortening branch lying parallel to the base branch 11 of the voltage divider via a switching delay arrangement 18. In addition to the switch 19, the shortening branch contains a resistor 20.

Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung wird anhand der Diagramme a und b der Fig. 2 erläutert. Im Diagramm a ist die Spannung Un am Abgriff 13 des Spannungsteilers 11/12 in verschiedenen Betriebszustän-den der Schaltungsanordnung dargestellt, im Diagramm b die zugehörige Spannung U7 am Anschluss 7 im Ladestromweg 2. Im Zeitabschnitt A der beiden Diagramme ist zwischen den Anschlüssen 7 und 8 der Ladeanordnung keine Batterie angeschlossen, so dass der Ladestromweg 2 an dieser Stelle offen ist. Über den Ladeerhaltungszweig 9 gelangt nahezu die volle Gleichspannung Uo der den Ladestromweg speisenden Gleichspannungsquelle 3 an den Anschluss 7. Diese Spannung ist wesentlich höher als der Spannungsschwellwert US3 des Schwellwertschalters 17, der deshalb an seinem Ausgang 21 ein Signal erzeugt, das den Schalter 19 im Verkürzungszweig schliesst und dem Basiszweig 11 des Spannungsteilers 11/12 den Widerstand 20 des Verkürzungszweiges parallelschaltet. Der Widerstand 20 des Verkürzungszweiges ist so bemessen, dass trotz der hohen, am Spannungsteiler liegenden Spannung Uo die Spannung U13 am Abgriff 13 des Spannungsteilers kleiner ist als der untere Spannungsschwellwert US2 der Schwellwertanordnung 15. Die Schwellwertanordnung erzeugt dadurch an ihrem Ausgang 16 ein Signal, das den Längstransi- The mode of operation of the circuit arrangement shown in FIG. 1 is explained with the aid of diagrams a and b in FIG. 2. Diagram a shows voltage Un at tap 13 of voltage divider 11/12 in various operating states of the circuit arrangement, diagram b shows the associated voltage U7 at connection 7 in charging current path 2. In time segment A of the two diagrams, there is between connections 7 and 8 of the charging arrangement, no battery is connected, so that the charging current path 2 is open at this point. Almost the full DC voltage Uo of the DC voltage source 3 feeding the charging current path reaches the connection 7 via the charge maintenance branch 9. This voltage is significantly higher than the voltage threshold value US3 of the threshold switch 17, which therefore generates a signal at its output 21 which switches 19 in the shortening branch closes and the base branch 11 of the voltage divider 11/12 connects the resistor 20 of the shortening branch in parallel. The resistance 20 of the shortening branch is dimensioned such that, despite the high voltage Uo at the voltage divider, the voltage U13 at the tap 13 of the voltage divider is lower than the lower voltage threshold value US2 of the threshold value arrangement 15. The threshold value arrangement thereby generates a signal at its output 16 that the longitudinal transmission

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stor 4 im Ladestromweg leitend steuert. stor 4 controls conductive in the charging current path.

Im Zeitpunkt ti wird an die Anschlüsse 7 und 8 eine teilweise entladene wiederaufladbare Batterie 1 angeschlossen. Der daran anschliessende Zeitabschnitt B ist stark gedehnt dargestellt. Die Spannung U7 am Anschluss 7 fällt entsprechend der Entladezeitkonstante des Ladestromweges 2 auf die Spannung der Batterie 2 im Ladestromweg ab, die zwischen der Tiefentladespannung Übt und der maximal zulässigen Spannung Ußmax an der Batterie bei der Schnelladung liegt, und sinkt gleichzeitig unter den Schwellwert U$3 des Schwellwertschalters 17, dessen Ausgangssignal dadurch wegfällt. Die Schaltverzögerungsanordnung 18 verzögert den Abfall dieses Signals für den Schalter 19 um eine Verzögerungszeit tv, die grösser ist als die Zeit tA, in der die Batteriespannung auf einen Wert unterhalb des maximal für die Schnelladung zulässigen Wertes UBmax der Spannung der Batterie absinkt, der beispielsweise zum Zeitpunkt t2 unterschritten wird. Nach der Verzögerungszeit tv schaltet sich der Verkürzungszweig vom Basiszweig 11 des Spannungsteilers ab, so dass der Spannungsteiler 11/12 allein wirksam ist. At time ti, a partially discharged rechargeable battery 1 is connected to connections 7 and 8. The subsequent time period B is shown very stretched. The voltage U7 at the connection 7 drops in accordance with the discharge time constant of the charging current path 2 to the voltage of the battery 2 in the charging current path, which lies between the deep discharge voltage Practice and the maximum permissible voltage Ußmax at the battery during fast charging, and simultaneously drops below the threshold value U $ 3 of the threshold switch 17, the output signal of which is thereby eliminated. The switching delay arrangement 18 delays the drop of this signal for the switch 19 by a delay time tv, which is greater than the time tA, in which the battery voltage drops to a value below the maximum permissible value for the rapid charge of the battery voltage, for example for Time falls below t2. After the delay time tv, the shortening branch switches off from the base branch 11 of the voltage divider, so that the voltage divider 11/12 is effective alone.

Im Zeitpunkt C erfolgt die Schnelladung der Batterie 1. Die beiden Spannungskurven U7 und U13 verlaufen zueinander proportional. Der Abgriff des Spannungsteilers 11/12 ist mittels des einstellbaren Teilerzweiges 12 so eingestellt, dass die Spannung am Abgriff 13 den oberen Schwellwert USi der Schwellwertanordnung 15 erreicht, wenn die Spannung der Batterie den für die Schnelladung maximalen Spannungswert UBmax erreicht. In diesem Zeitpunkt t4 kippt die Schwellwertanordnung in einen Zustand, in dem sie bis zum Unterschreiten des unteren Schwellwertes Us2 verharrt und in dem sie ein den Längstransistor 4 sperrendes Ausgangssignal erzeugt. Von nun an (Zeitabschnitt D) fliesst über den Ladeerhaltungszweig 9 ein Ladeerhaltungsstrom, der mittels des Widerstands 10 so bemessen ist, dass er die Verluste der Batterie durch Selbstentladung ersetzt. The battery 1 is charged quickly at time C. The two voltage curves U7 and U13 are proportional to one another. The tap of the voltage divider 11/12 is set by means of the adjustable divider branch 12 so that the voltage at the tap 13 reaches the upper threshold value USi of the threshold value arrangement 15 when the voltage of the battery reaches the maximum voltage value UBmax for the rapid charge. At this point in time t4, the threshold value arrangement tilts into a state in which it remains until the lower threshold value Us2 is undershot and in which it generates an output signal blocking the series transistor 4. From now on (time period D), a trickle current flows through the charge maintenance branch 9, which is dimensioned by means of the resistor 10 so that it replaces the losses of the battery by self-discharge.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Ladeanordnung für wiederaufladbare Batterien, das im wesentlichen dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht und sich entsprechende Schaltungselemente mit gleichlautenden Bezugszeichen gekennzeichnet sind, ist die Schwellwertanordnung 15, der Schwellwertschalter 17 mit der Schal-tungsverzögerungsanordnung 18 und der Schalter des Verkürzungszweiges näher ausgeführt. Die Schwellwertanordnung enthält einen als Komparator 22 ausgebildeten Operationsverstärker, dessen einer Eingang als Überwachungseingang 14 mit dem Abgriff des Spannungsteilers 11/12 verbunden ist, während an dessen anderen Eingang 23 eine Referenzgleichspannungsquelle 24 angeschlossen ist. Die beiden eine Hystérésis bildenden Schwellwerte USi und Us2 des Komparators werden mittels der Referenzspannungsquelle 24 und der beiden Gegenkopplungswiderstände 25 und 26 erzeugt. In the exemplary embodiment of a charging arrangement for rechargeable batteries shown in FIG. 3, which essentially corresponds to the exemplary embodiment shown in FIG. 1 and corresponding circuit elements are identified by the same reference numerals, the threshold value arrangement 15, the threshold value switch 17 with the circuit delay arrangement 18 and the switch of the shortening branch is detailed. The threshold value arrangement contains an operational amplifier designed as a comparator 22, one input of which is connected as a monitoring input 14 to the tap of the voltage divider 11/12, while a reference direct voltage source 24 is connected to the other input 23 thereof. The two threshold values USi and Us2 of the comparator forming a hysteresis are generated by means of the reference voltage source 24 and the two negative feedback resistors 25 and 26.

Der Schwellwertschalter 17 zur Überwachung der Spannung U7 ist eine Zenerdiode 27, an deren Begrenzungswiderstand 28 das Ausgangssignal für die anschliessende Schaltungs-verzögerungsanordnung 18 entsteht. Diese enthält einen Speicherkondensator 29, der über einen Ladewiderstand 30 an den Ausgang des Schwellwertschalters 17 und über einen Entladewiderstand 31 an die Basis des als Transistor 32 ausgebildeten Schalters 20 des Verkürzungszweiges angeschlossen ist. Die Zenerspannung der Zenerdiode 27 stellt den Schwellwert US3 dar und ist grösser als die bei der Schnelladung maximal zulässige Spannung UBmax der Batterie. The threshold switch 17 for monitoring the voltage U7 is a Zener diode 27, at the limiting resistor 28 of which the output signal for the subsequent circuit delay arrangement 18 is produced. This contains a storage capacitor 29 which is connected via a charging resistor 30 to the output of the threshold switch 17 and via a discharging resistor 31 to the base of the switch 20 of the shortening branch designed as a transistor 32. The Zener voltage of the Zener diode 27 represents the threshold value US3 and is greater than the maximum permissible voltage UBmax of the battery during rapid charging.

3 3rd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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PATENT CLAIMS Circuit arrangements of the type mentioned are in particular

1.Circuit arrangement used for charging a rechargeable battery, in particular for charging rechargeable batteries, the battery with a direct current which feeds the charging current path, e.g. arranged in portable electrical devices and in voltage source, a resistor arranged in the charging current, these devices are provided for their power supply. To limit the charging current and also in this purpose are such circuit arrangements for the charging current path arranged controllable series transistor, remote charging rechargeable batteries in so-called chargers with one arranged in parallel to the battery, from one or a greater number of such circuit arrangements adjustable Divider branch and a base branch existing voltage dividers in charging facilities with several charging stations and with a threshold value arrangement that builds with. For charging, the batteries can be removed from the battery compartment of a monitoring input at the tap of the voltage of the portable device and connected to a receiving divider and the voltage can be inserted into this device of the charger. It is controlled tap and which in turn also locks the series transistor on portable electrical devices when the voltage on the tap attaches an upper threshold plug device via which the value in the device exceeds the threshold value arrangement, and the batteries contained in the series again can be charged and transistor conductive controls when the voltage at the tap falls below a 15 these devices for recharging their batteries in sockets lower threshold, characterized, with a mating connector of a charging device that the lower threshold (US2) of a voltage of the specified clog.

Closed battery (1), which is in the range of low- In many cases, portable, with rechargeable battery discharge voltage (Übe) of the battery or below, is that series-operated electrical devices in a very short time again the series transistor (4) an ohmic charge maintenance branch (9) 20 be ready for operation and if there is no immediate reuse, the base branch (11) of the voltage switch is kept ready in a fully charged state. The divider (11, 12) is a shortening branch connected in parallel, the batteries of these devices are initially charged by means of a so-called resistor (20) and a switch (19) and called snow charge. Subsequently, the resistance of the latter to the divider branch (12) of the chip charge of the batteries is dimensioned by a continuously flowing charger divider so that the holding current is maintained in the conductive state. Since the rechargeable bat switch (19) on the tap (13) of the voltage divider sets a span with a small volume and a high charging capacity (U13), which is always smaller than the lower threshold and especially against overcharging are sensitive, value (US2) of the threshold value arrangement (15), even if there is no battery in particular for the fast charge high charging current path (2) that is placed in parallel with the gene with regard to compliance with maximum charging values, part of the battery formed by the battery Charging current path on 30 These high requirements can only be arranged with automatic threshold switches (17), whose threshold charge monitoring circuits in the circuit arrangement voltage (US3) is greater than the battery voltage (UBmax), with the rechargeable batteries being satisfied by the series transistor From the threshold controlling this, from the DT-AS 22 55 894 is a circuit arrangement of the value arrangement (15) is blocked, and that between the type specified at the beginning for charging a rechargeable

Control output (21) of the threshold switch (17) and the 35 ren battery is known, in which in the charging current a charging current control input of the switch of the shortening branch a limiting resistor, a switchable series transistor and switching delay arrangement (18) is inserted, one diode of which is in the flow direction. On the parallel to the series

Switch-off delay (tv) is greater than the decay time (tA) of the circuit consisting of diode and battery voltage divider, voltage (LJ7) at voltage divider (11, 12) immediately after a threshold value arrangement with a lower and an upper insertion of the battery into the charging current path . 40 ren threshold connected. When the maximum is reached

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the charging voltage of the battery blocks the threshold value arrangement, that the switch (19) in the shortening branch is a tran- known circuit because the upper sistor (32) has been exceeded. Threshold value the series transistor. A parallel to the chip

3. A circuit arrangement as claimed in claim 1 or 2, characterized in that the capacitor arranged in the voltage divider discharges via the - characterized in that the threshold switch (17) flows until the lower threshold value of the threshold arrangement is limited zener diode (27). is undershot, causing the series transistor to conduct again

4. Circuit arrangement is switched according to one of the preceding. After the first full charge, the battery receives claims, characterized in that the switching delays thus continuously recharge current surges to maintain their arrangement (18), a capacitor (29) with a full charge. With very large rapid charge currents, which is significantly resistive (30) and a discharge resistor (31). 50 above normal charging current, e.g. well above the ten

5. Circuit arrangement according to one of the preceding hourly discharge current, this method of claims is characterized in that the threshold value maintenance is no longer suitable, since otherwise a very good order (15) is a Schmitt trigger with a large set fast wear or an early one Destruction of the re-hysteresis is. rechargeable battery occurs.

6. Circuit arrangement according to one of claims 1 to 4, 55 The object of the invention is to provide a circuit characterized in that the threshold value arrangement (15) arrangement for charging a rechargeable battery is a comparator (22) with a negative feedback arrangement, that for very high charge currents, down to the magnitude (25.26), which is dimensioned so that the comparator is suitable for a large voltage of an hourly discharge current and has the hysteresis. following the rapid charge, an ongoing one for the

60 battery enables harmless charge maintenance.

This object is achieved by a circuit arrangement according to the feature of the first claim.

The measures of the invention are advantageous