DD251656A1 - Geregelter gleichspannungsflusswandler zur definierten ladung und entladung von akkumulatorenzellen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung fuer einen geregelten Gleichspannungsflusswandler zur definierten Ladung und Entladung von Akkumulatorenzellen. Ziel der Erfindung ist die qualitative Verbesserung und die Schaffung der Moeglichkeit von automatisierten Lade- und Entladeeinrichtungen fuer Akkumulatoreneinzelzellen ohne Demontage des mehrzelligen Akkumulators. Dazu wird bei einem Flusswandler der vorstehend bezeichneten Art die Umschaltung Laden/Entladen so geloest, dass die Akkumulatorenzelle bei Entladen gegenueber Laden umgepolt wird, wobei in den Entladekreis gegenspannungserzeugende Bauelemente eingefuegt sind, die den Stromfluss durch die Akkumulatorenzelle nur dann zulassen, wenn sich der Wandler in der Arbeitsphase befindet. Die Konstanthaltung des arithmetischen Strommittelwertes wird bei einem Flusswandler der vorstehend bezeichneten Art durch Verwendung eines Messstromwandleruebertragers in Verbindung mit einem Mittelwertbildner, welcher aus Einwegspitzenwertgleichrichter, Operationsverstaerker und Integrierglied besteht, erreicht. Figur

Description

Einrichtungen zur Entladung von Akkumulatoren bestehen aus einer Lastschaltung mit Stellvorrichtung. Im einfachsten Fall sind das verstellbare ohmsche Widerstände. Es sind auch geregelte elektronische Lastschaltungen bekannt, die jedoch mit dem Nachteil behaftet sind, daß ihre Funktion infolge von Spannungsabfällen auf den Entladekabeln und den vorgegebenen Mindestarbeitsspannungen der eingesetzten Halbleiterbauelemente unterhalb eines bestimmten Grenzwertes für Einzelzellenentladung nicht mehr gegeben ist.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung hat das Ziel, eine Einrichtung zum Laden und Entladen von Akkumulatoren mit konstantem Strom derart zu verbessern, daß die Ladung bzw. Entladung der einzelnen Akkumulatorenzellen unabhängig voneinander (bis zu einer vorgegebenen Lade- bzw. Entladeschlußspannung) möglich ist.

Auf diese Weise soll der Zustand aller Zellen, auch solcher, die zum Ausfall des Akkumulators führen, eindeutiger ermittelt werden können. Des weiteren soll durch die Einzelzellen-Ladung bzw. -Entladung ein automatischer Lade- Entladebetrieb ohne Demontage des Akkumulators ermöglicht werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung für einen geregelten Gleichspannungsflußwandler zu schaffen, welche, aus einer nicht stabilisierten Gleichspannungsquelle betrieben, ausgangsseitig einen Strom mit konstantem arithmetischen Mittelwert—unabhängig vom Ladezustand der angeschlossenen Akkumulatorenzelle — bereitstellt. Dabei ist es gleichgültig, ob dieser Strom die Akkumulatorenzelle lädt oder entlädt.

Bei einem Gleichspannungsflußwandler, bestehend aus Schalttransistor, Übertrager, Gleichrichter, Speicherdrossel, Freilaufgleichrichter, Stromwandler und Stromregler, wird die Aufgabe, eine Akkumulatorenzelle zu laden oder zu entladen, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Umschaltung Laden/Entladen durch Umpolen der Akkumulatorenzelle bei Entladen gegenüber Laden herbeigeführt wird, wobei in den Entladekreis gegenspannungserzeugende Bauelemente eingefügt sind, die den Stromfluß durch die Akkumulatorenzelle nur dann zulassen, wenn sich der Wandler in der Fluß- und Freilaufphase der Speicherdrossel befindet, also in einem Bereich, der durch den Regler erfaßt werden kann.

Auf diese Weise können Akkumulatorenzellen bis zu sehr kleinen Klemmenspannungen mit konstantem Strom entladen werden.

Die Aufgabe, den arithmetischen Mittelwert des Stromes konstant zu halten, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Einwegspitzenwertgleichrichter in Verbindung mit einem Operationsverstärker und nachfolgendem Integrierglied dem Regelkreis des Wandlers derart zugefügt wird, daß der nicht geerdete Ausgang des Stromwandlerüberträgers einerseits mit dem Eingang des Einwegspitzenwertgleichrichters und andererseits über einen Kondensator mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers verbunden ist und daß der Ausgang des Einwegspitzenwertgleichrichtersan den nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers angeschlossen ist, während der Ausgang des Operationsverstärkers über ein Integrierglied mit dem invertierenden Eingang des Reglerverstärkers verbunden ist. Dadurch wird erreicht, daß bei entsprechender Polung der Wicklungen des Stromwandlerübertragers am Ausgang des Einwegspitzenwertgleichrichters eine Gleichspannung entsteht, mit deren Hilfe das ursprüngliche Nullpotential der Wechselspannung wiederhergestellt werden kann.

Nach Überlagerung dieser Gleichspannung mit der sekundärseitigen Wechselspannung des Stromwandlerübertragers im Operationsverstärker entsteht am Ausgang eine um den arithmetischen Mittelwert schwankende Gleichspannung, die durch das Integrierglied geglättet, im Regelverstärker zum Vergleich mit dem Sollwert dient.

Durch diese Schaltungsanordnung ergibt sich auch bei großer Regelverstärkung ein stabiles dynamisches Regelverhalten und eine hohe Konstanz des Sekundärstromes.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt die Figur eine geeignete Schaltungsanordung des erfindungsgemäßen Gleichspannungsflußwandlers.

Nach Anlegen der Eingangsspannung an den Eingang 1 wird der Schalttransistor 2 durch das Stellglied 3 eingeschaltet. Dabeiist die Ansteuerschaltung des Schalttransistors 2 nicht enthalten, da sie keine Besonderheit der vorliegenden Erfindung darstellt. Nunmehr beginnt ein zeitlinearer Anstieg des Stromes I in der Sekundärwicklung des Übertragers 4, bedingt durch die Induktivität der Speicherdrossel 7. Die Zeitdauer des Stromanstieges wird durch das Stellglied 3 bestimmt. Zum Zeitpunkt, der durch den Regelverstärker 19 vorgegeben wird, schaltet das Stellglied 3 den Schalttransistor 2 aus. Die Spannungen an den Wicklungen des Übertragers4 kehren sich um, Gleichrichter 5 sperrt. Die in Drossel 7 gespeicherte Energie wird nun über Freilaufgleichrichter 6 an den Sekundärkreis abgegeben. Es folgt eine Strompause, die zum Beispiel bei Wandlern mit konstanter Schaltfrequenz entsprechend dem erforderlichen Regelbereich verwendet wird. Danach beginnt ein neuer Stromanstieg. Der im Sekundärkreis pulsierende Strom I durchfließt in Stellung L des Umschalters 9 die an den Ausgang 11 und 12 angeschlossene Akkumulatorenzelle 13 als Ladestrom. In Stellung E des Umschalters 9 durchfließt der Strom I über die Gegenspannungszelle 10 die Akkumulatorenzelle 13 als Entladstrom. Der Strom I fließt außerdem durch die Primärwicklung des Meßstromwandlers 8. Aufseiner Sekundärseite entsteht am Abschlußwiderstand eine dem Stromverlauf des Stromes I entsprechende Wechselspannung U. Die Wicklungen des Meßstromwandlers 8 sind so gepolt, daß die Spannungen an den Eingangsklemmen A und B und an den Ausgangsklemmen A' und B' phasengleich sind.

Um aus der Wechselspannung U den arithmetischen Mittelwert bilden zu können, muß das ursprüngliche Nullpotential wieder hergestellt werden. Das geschieht im Mittelwertbildner 14 durch Spitzenwertgleichrichtung der nach der ursprünglichen Nullinie hin gerichteten Halbwelle mit dem Einwegspitzenwertgleichrichter 16. Die Ausgangsspannung des Einwegspitzenwertgleichrichters 16 wird zum nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 17 geführt, wo sie mit der über Kondensator 15 am invertierenden Eingang anliegenden Wechselspannung überlagert wird. Zur Bildung des

arithmetischen Mittelwertes wird die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers 17 über das Integrierglied 18 und anschließend zum invertierenden Eingang des Regelverstärkers 19 geführt, wo sie mit der als Sollwert am nichtinvertierenden Eingang anliegenden Spannung verglichen wird. Die Regelung des Stromes erfolgt in bekannter Weise durch die Änderung des Stromflußzeit oder des Tastverhältnisses im Stellglied 3.

Claims (2)

1. Geregelter Gleichspannungsflußwandler zur definierten Ladung und Entladung von Akkumulatorenzellen, bestehend aus Schalttransistor, Übertrager, Gleichrichter, Speicherdrossel, Meßstromwandler und Stromregler, wobei ein Schalttransistor die Primärwicklung eines Übertragers speist, dessen Sekundärwicklung mit der Anode eines Gleichrichters und der Anode eines Freilaufgleichrichters verbunden ist, deren Katoden miteinander verbunden sind und zu einem Anschluß einer Speicherdrossel führen, daß die Anode des Freilaufgleichrichters mit dem Eingang eines Strommeßwandlers verbunden ist, die Ausgänge von Speicherdrossel und Meßstromwandler in der Betriebsart „Laden" polrichtig mit der Akkumulatorenzelle verbunden sind, daß der Stromregler eine Stellgröße an die Basis des Schalttransistors liefert, gekennzeichnet dadurch, daß außer der Betriebsart „Laden" auch die Betriebsart „Entladen" realisierbar ist, daß der Wechsel von Betriebsart „Laden" zur Betriebsart „Entladen" mit einem Umpolen der Akkumulatorenzelle (13) verbunden ist, daß in der Betriebsart „Entladen" die Akkumulatorenzelle (13) in Reihe mit einer Gegenspannungszelle (10) liegt, daß die Reihenschaltung von Akkumulatorenzelle (13) und Gegenspannungszelle (10) mit je einem Anschluß von Speicherdrossel (7) und Meßstromwandler (8) verbunden ist, daß der nicht geerdete Ausgang des Meßstromwandlers (8) mit dem Eingang eines Mittelwertbildners (14) in Verbindung steht, dessen Ausgang mit dem Istwerteingang des Regelverstärkers (19) verbunden ist, daß die Wicklungen des Meßstromwandlers (8) so gepolt sind, daß die Spannungen an den Eingangsklemmen (A; B) und den Ausgangsklemmen (A'; B') phasengleich sind, damit die Ausgangsspannung des Einwegspitzenwertgleichrichters (16) von der zum Stromwert Null des im Lade-Entladekreis fließenden Stromes hin gerichteten trapezförmigen Halbwelle gebildet wird.

2. Schaltungsanordnung nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Eingang des Mittelwertbildners (14) sowohl mit dem Eingang eines Einwegspitzenwertgleichrichters (1.6) als auch über einen Kondensator (15) mit dem invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers (17) verbunden ist, daß der Ausgang des Einwegspitzenwertgleichrichters (16) mit dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers (17) verbunden ist, daß der Operationsverstärker (17) eine Verstärkung von etwa eins aufweist, daß der Ausgang des Operationsverstärkers (17) zum Eingang eines Integriergliedes (18) führt und daß der Ausgang des Integriergliedes (18) mit dem Eingang eines Regelversärkers (19) verbunden ist.

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Gleichspannungsflußwandler, der primär durch eine nicht stabilisierte Gleichspannungsquelle gespeist wird und auf seiner Sekundärseite einen von Ein- und Ausgangsspannung unabhängigen konstanten Strom potentialfrei bereitstellt. Der Sekundärstrom ist auch dann noch konstant, wenn die Ausgangsspannung null ist bzw. sich umkehrt. Solche Wandler können beispielsweise zur Ladung bzw. Entladung von Akkumulatoreneinzelzellen der verschiedensten Systeme eingesetzt werden. Mit mehreren solchen Wandlern, die sekundärseitig in Reihe geschaltet sind, können Systeme zur automatischen Ladung bzw. Entladung {zum Zweck der Zeilenkontrolle) vielzelliger Akkumulatoren aufgebaut werden, wobei die einzelnen 'Zellen nicht aus dem Verband des Akkumulators herausgelöst werden müssen.

Als weitere Anwendungsgebiete der Erfindung sind Konstantstromquellen zu nennen, die noch bei kleinen Spannungen von nahezu Null arbeiten und Umpolung der Spannung zulassen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Gleichspannungsflußwandler bestehen aus mindestens einem Schalttransistor, einem Übertrager, einem Gleichrichter und einer Speicherdrossel mit Freilaufgleichrichter. Der während der Stromflußphase des Schalttransistors fließende Kollektorstrom gelangt, transformiert mit dem reziproken Wert des Übersetzungsverhältnisses des Übertragers, durch den Gleichrichter und die Speicherdrossel zum angeschlossenen Verbraucher. In der anschließenden Sperrphase des Schalttransistors wird die in der Drossel während der Stromflußphase gespeicherte magnetische Energie über den Freilaufgleichrichter ebenfalls an den Verbraucher abgegeben. Zur weitgehenden Beseitigung der Abhängigkeit des Ausgangsstromes von Ein- und Ausgangsspannung sind Wandler mit geregeltem Ausgangsstrom bekannt.

Die Ausgangsspannung kann bei derartigen Wandlern beliebige Werte zwischen Null und den durch den Übertrager festgelegten Maximalwert annehmen. Akkumulatorenzellen können zum Zweck der Ladung direkt an solche Wandler angeschlossen werden. Die bekannten geregelten Gleichspannungswandler sind zur Entladung nicht geeignet, da die von außen in den Sekundärkreis zugeführte Energie in der Stromflußphase des Wandlers einen unkontrollierten Entladestrom hervorruft.