DE10153083B4

DE10153083B4 - Ladeeinrichtung

Info

Publication number: DE10153083B4
Application number: DE10153083A
Authority: DE
Inventors: Olaf Dipl.-Ing. Laske; Hans-Rolf Nopper; Michael Rudolf
Original assignee: FAHRZEUGAUSRUESTUNG BERLIN GMB; Fahrzeugausruestung Berlin GmbH
Current assignee: FAHRZEUGAUSRUESTUNG BERLIN GMB; Fahrzeugausruestung Berlin GmbH
Priority date: 2001-10-30
Filing date: 2001-10-30
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2021-10-31
Also published as: DE10153083A1

Abstract

Ladeeinrichtung, insbesondere in Schienenfahrzeugen, mit einem Trennschalter (3.5), einer Ladestromquelle und einem Tiefentladedetektor (3.6), wobei der Tiefentladedetektor (3.6) über seine Messeingänge (I, T, U) mit den Messstellen für das Tiefentladekriterium einer Anlagenbatterie (2) verbunden ist und wobei ein Schaltausgang (S) des Tiefentladedetektors (3.6) auf den Trennschalter (3.5) gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennschalter (3.5) das Pluspotential der Anlagenspannung mit dem Pluspol der Anlagenbatterie (2) verbindet, dass die Ladeeinrichtung als Ausgleichsladeeinrichtung (3) mit einem Energiespeicher (3.3) ausgestaltet ist, dass die Ladestromquelle als Ausgleichsladestromquelle (3.1) zum Laden der Anlagenbatterie (2) nach einer Tiefentladung ausgestaltet ist, dass die Ausgleichsladestromquelle (3.1) eingangsseitig mit dem Pluspotential der Anlagenspannung über eine erste Anschlussklemme (X1) und ausgangsseitig über eine zweite Anschlussklemme (X2) mit dem Pluspol der Anlagenbatterie (2) verbunden ist, wobei ein Ein/Aus-Schaltsignal des Tiefentladedetektors (3.6) auf einen Eingang des Ein/Ausschalters (E/A) der Ausgleichsladestromquelle (3.1) gelangt, dass das Bezugspotential des Tiefentladedetektors (3.6) über eine dritte Anschlussklemme (X3)...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ladeeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
In Batterie gepufferten elektrischen Anlagen von Schienenfahrzeugen mit Bleibatterien sind bei Tiefentladezuständen Ausgleichsladungen erforderlich.
Diese Ausgleichsladungen werden in der Praxis auf unterschiedliche Weise vorgenommen:

– Die Anlage wird abgeschaltet und ein extern an die Batterie angeschlossenes Ladegerät nimmt die Ausgleichsladung vor.
– Die tiefentladene Batterie wird durch eine geladene Batterie ausgetauscht, die Ausgleichsladung erfolgt dann in einer Ladestation.
– Die im Fahrzeug befindliche Ladeeinrichtung verfügt über eine Betriebsart für die Ausgleichsladung, die Energiezufuhr erfolgt dann über die Fremdeinspeisung, für die Zeit der Ausgleichsladung muss die Anlage abgetrennt werden.

In DE 199 31 288 A1 wird ein Ladeverfahren in einem Ladegerät beschrieben, welches vorzugsweise für Akkumulatoren (Sekundärelemente) kleiner Kapazität geeignet ist.

Die Ladeschaltung steuert einen dem Akkumulator zugeführten Ladestrom in der Weise, dass die gesamte elektrische Leistungsaufnahme zur Versorgung der Ladeschaltung und der Lastschaltung von einem AC/DC-Adapter bereitgestellt wird und dass dabei die zulässige Verlustleistung in dem Gehäuse nicht überschritten wird.

In DE 199 00 473 A1 wird ein Batterieladegerät mit dem dazugehörigen Ladeverfahren für Sekundärbatterien, vorzugsweise für solche auf NiCd-Basis beschrieben, welches den aktiven und inaktiven Betrieb erfasst und daraus zeitlich begrenzte Ladeströme für eine optimale Ladung des Akkumulators bereitstellt. Es handelt sich hierbei um ein reines Ladeverfahren für Akkumulatoren gleicher Bauart mit einem unbekannten Ladezustand.

In DE 198 16 401 A1 wird ein Ladesteuerverfahren eines Ladegerätes für wiederaufladbare Batterien beschrieben, bei dem zwei miteinander in Reihe angeschlossene Akkumulatorenpacks Verwendung finden. Das Ladegerät sowie das angewendete Steuerverfahren verhindern zuverlässig eine Schädigung der Akkumulatoren durch Überladung und gewährleistet dabei eine schonende Volladung der einzelnen Akkumulatoren bei gleichzeitiger Verringerung der Ladezeit. Dieses Ladegerät dient vorzugsweise zum Laden von Akkumulatoren in mobilen Datenerfassungsgeräten.

In DE 199 59 430 A1 wird ein Fahrzeugbatterieladegerät mit einem dazugehörigen Ladeverfahren beschrieben, welches Energie zum Aufladen empfangen und zum Liefern von Energie entladen wird. Eine Batterieladesteuerung detektiert den Ladezustand der Batterie, um den Ladevorgang zu steuern und lädt die Batterie mit einer vorbestimmten Lademenge auf, wenn eine bestimmte Differenz zu einem Bezugswert zwischen einer erwarteten Lademenge und der tatsächlichen Lademenge besteht. Eine Art Ausgleichsladung kann durch die Messung und Überwachung der Batteriekapazität ausgelöst werden.

In DE 198 00 212 A1 wird ein Verfahren zum Aufladen von Akkumulatoren und Akkumulator und ein Ladegerät zur Durchführung des Verfahrens beschrieben, welche dadurch gekennzeichnet sind, daß vor, während und/oder nach dem Ladevorgang ein Datenaustausch zwischen dem Akkumulator und der Ladestation durch eine geeignete Datenfernübertragung erfolgt, so daß der Zustand des Akkumulators unter Berücksichtigung der Ladehistorie ausgewertet wird.

Bei diesen bekannten Lösungen der Realisierung einer Ausgleichsladung von Akkumulatoren in Schienenfahrzeugen ist das Aussetzen des Fahrzeuges für die Zeit der Ausgleichsladung oder zumindest für die Tauschzeit erforderlich, was zu hohen Lebensdauerkosten führt.

Bekannt sind Ladegeräte, die über eine Startvorrichtung aus der Zugsammelschiene verfügen. Ein nicht bemerkter oder ignorierter Tiefentladezustand führt zu einer erheblichen Lebensdauerverringerung der Batterie, da mit dem nächsten Einschalten eine Normalladung einsetzt.

Die dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrunde liegende DE 196 11 161 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung zum programmgesteuerten Überwachen und/oder Steuern einer Sicherheitsbeleuchtungsanlage. Die Schaltungsanordnung weist einen Ladegleichrichter auf, der für die Aufladung und die Ladungserhaltung einer Batterie sorgt. Im Anschluss an eine Netzstörung wird eine schnelle Ladung der Batterie durchgeführt. Die Entladespannung der Batterie wird überwacht und bei Unterschreiten eines vorgegebenen Wertes wird ein Abschalten der an die Batterie angeschlossenen Leuchten hervorgerufen.

DE 44 35 005 A1 beschreibt eine Schaltung zur Stromversorgung eines mit Gleichspannung betriebenen Verbrauchers aus einem Wechselstromnetz, wobei der Ladestrom begrenzt, der Entladestrom jedoch unbegrenzt ist. Die Schaltung weist einen Verbraucher und parallel dazu geschaltet eine Batterie in Serienschaltung mit einem Ladestrombegrenzer auf. Wiederum parallel zu dem Ladestrombegrenzer ist eine Diode geschaltet.

Das Buch von Dr. Heinz Wenzl, „Batterietechnik", Expert Verlag, 1999, ISBN 3-8169-1691-0, beschreibt auf Seiten 146-147 eine so genannte Entsulfatisierungsladung, die bei einer tiefentladenen Batterie durchgeführt wird. Es fließt bei einer relativ hohen Spannung ein geringer Ladestrom in die Batterie. Bei ansteigendem Strom wird die Spannung dann reduziert.

Die bekannten Ladeeinrichtungen und Ladeverfahren berücksichtigen nicht explizit den für den Bleiakkumulator schädlichen Tiefentladezustand und die daraus resultierende Notwendigkeit einer unbedingten und zwangsweise durchzuführenden Ausgleichsladung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ladeeinrichtung zu schaffen, welche nach einer Tiefentladung der Anlagenbatterie einen Normalbetrieb der Anlage bei gleichzeitiger Ausgleichsladung ohne Ausbau der Batterie ermöglicht und bei der diese Ausgleichsladeeinrichtung als Nachrüstsatz mit wenigen elektrischen Verbindungen in bestehende Anlagen eingefügt werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst, wobei mittels der Ausgleichsladeeinrichtung die elektrische Auswertung des Tiefentladezustandes der Fahrzeugbatterie ausgewertet wird und die Fahrzeugbatterie über einen entsprechenden Trennschalter von der Wagenanlage abtrennt wird. Bei der Wiederkehr der Speisespannung (z. B. Zugsammelschiene) beginnt eine Stromquelle mit dem entsprechenden Ausgleichsladestrom die tiefentladene Batterie für den Zeitraum der Ausgleichsladung zu laden.

Das in der Fahrzeuganlage befindliche Ladegerät übernimmt während des Tiefentladezustandes die Speisung der Verbraucher der elektrischen Anlage. Damit eine Speisespannungsunterbrechung den Betrieb der Anlage nicht beeinflusst, ist ein Energiespeicher angeschaltet, welcher für die Zeit der Unterbrechung die Anlagenspannung aufrechterhält.

Nach der Ausgleichsladezeit wird der Ausgleichsladestrom abgeschaltet und die Batterie über den Trennschalter wieder an die zu puffernde Anlage geschaltet.

Vorteilhaft ist dabei, dass ein Fahrzeugaussetzen außerplanmäßig nicht mehr erforderlich ist.

Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die Zeichnung zeigt die Schaltungsanordnung der Ausgleichsladeeinrichtung.
Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine elektrische Anlage eines Reisezugwagens mit einer Anlagenbatterie 2 mit einer Nennkapazität von 240 Ah. Eine Ausgleichsladestromquelle 3.1 ist direkt mit einem an Masse liegenden Tiefentladedetektor 3.6 und ein elektrischer Energiespeicher 3.3 mit einem Strombegrenzer 3.2 und einer Entkopplungsdiode 3.4 verbunden, wobei die Ausgleichsladestromquelle 3.1 mit einer Anschlussklemme X2 an dem Pluspotential der Anlagenspannung einer Anlagenbatterie 2 und über eine Anschlussklemme X1 mit dem Pluspotential der Anlagenspannung am Ausgang eines Ladegerätes 1 anliegt und der Tiefentladedetektor 3.6 mit einem zwischen dem Pluspotential der Anlagenspannung und dem Pluspol der Anlagenbatterie 2 liegendem Batteriehauptschütz 3.5 verbunden ist, wobei der mit der Ausgleichsladestromquelle 3.1 verknüpfte Tiefentladedetektor 3.6 parallel zu dem mit dem Strombegrenzer 3.2 und der Entkopplungsdiode 3.4 verbundene Energiespeicher 3.3 geschaltet ist und die Anschlussklemmen X1, X2 und X3 somit mit einer Wagenanlage 4 verbunden sind.
Im Normalbetrieb speist das Ladegerät 1 aus der Zugsammelschiene die Wagenanlage 4 mit einer Verbraucherebene RL sowie die Anlagenbatterie 2. Beim Abschalten der Spannung der Zugsammelschiene speist die Anlagenbatterie 2 die Wagenanlage 4 mit der Verbraucherebene RL bis zum Erreichen des Tiefentladekriteriums, welches durch den Tiefentladedetektor 3.6 erfasst wird. Der Tiefentladedetektor 3.6 gibt einen Befehl an die Ausgleichsladestromquelle 3.1. Zum einen wird dann das Batteriehauptschütz 3.5 abgeschaltet. Zum anderen beginnt die Ausgleichsladestromquelle 3.1 mit der Speisung eines Ausgleichsstromes.
Bis die Ladeendspannung erreicht ist, wird die Wagenanlage 4 aus dem Ladegerät 1 gespeist. Die Pufferung der Anlagenspannung erfolgt aus dem Energiespeicher 3.3. Bei Spannungsunterbrechungen auf der Zugsammelschiene speist der Energiespeicher 3.3 über die Entkopplungsdiode 3.4 die Wagenanlage 4. Der Energiespeicher 3.3 besteht aus einer gasdichten NC-Batterie mit einer Nennkapazität von 50 Ah. Diese Batterie ist wartungsfrei und tiefentladeunempfindlich.
Bei Spannungswiederkehr wird der Energiespeicher 3.3 über den Strombegrenzer 3.2 nachgeladen.
Wird das Ende der Ausgleichsladung erreicht, so erfasst der Tiefentladedetektor 3.6 diesen Zustand und gibt ein Signal an die Ausgleichsladestromquelle 3.1, welche dann ausschaltet. Die Anlagenbatterie 2 wird danach durch das Einschalten des Batteriehauptschützes 3.5 an die Wagenanlage 4 geschaltet.

1: Ladegerät
2: Anlagenbatterie
3: Ausgleichsladeeinrichtung
3.1: Ausgleichsladestromquelle
3.2: Strombegrenzer
3.3: Energiespeicher
3.4: Entkopplungsdiode
3.5: Batteriehauptschütz, [Trennschalter]
3.6: Tiefentladedetektor
4: Wagenanlage [mit der Verbraucherebene (R_L)]
R_L: Verbraucherebene
X1: Anschlußklemme [für Pluspotential]
X2: Anschlußklemme [für Ausgleichsladestrom]
X3: Anschlußklemme [für Minuspotential]
A: Schaltausgang für Ein/Ausschaltung
A_L: Ausgang [für Ladestrom]
E/A: Ein/Ausschalter [für Ausgleichsladestromquelle]
I: Meßeingang [für denBatteriestrom]
T: Meßeingang [für die Batterietemperatur]
U: Meßeingang [für die Batteriespannung]
S: Schaltausgang [für Trennschalter]

Claims

Ladeeinrichtung, insbesondere in Schienenfahrzeugen, mit einem Trennschalter (3.5), einer Ladestromquelle und einem Tiefentladedetektor (3.6), wobei der Tiefentladedetektor (3.6) über seine Messeingänge (I, T, U) mit den Messstellen für das Tiefentladekriterium einer Anlagenbatterie (2) verbunden ist und wobei ein Schaltausgang (S) des Tiefentladedetektors (3.6) auf den Trennschalter (3.5) gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennschalter (3.5) das Pluspotential der Anlagenspannung mit dem Pluspol der Anlagenbatterie (2) verbindet, dass die Ladeeinrichtung als Ausgleichsladeeinrichtung (3) mit einem Energiespeicher (3.3) ausgestaltet ist, dass die Ladestromquelle als Ausgleichsladestromquelle (3.1) zum Laden der Anlagenbatterie (2) nach einer Tiefentladung ausgestaltet ist, dass die Ausgleichsladestromquelle (3.1) eingangsseitig mit dem Pluspotential der Anlagenspannung über eine erste Anschlussklemme (X1) und ausgangsseitig über eine zweite Anschlussklemme (X2) mit dem Pluspol der Anlagenbatterie (2) verbunden ist, wobei ein Ein/Aus-Schaltsignal des Tiefentladedetektors (3.6) auf einen Eingang des Ein/Ausschalters (E/A) der Ausgleichsladestromquelle (3.1) gelangt, dass das Bezugspotential des Tiefentladedetektors (3.6) über eine dritte Anschlussklemme (X3) mit dem Minuspotential der Anlagenspannung verbunden ist, dass ein Strombegrenzer (3.2) mit seiner Eingangsseite an das Pluspotential der Anlagenspannung über die erste Anschlussklemme (X1) und mit dem Ausgang (AL) mit dem Pluspotential des Energiespeichers (3.3) verbunden ist, dass das Minuspotential des Energiespeichers (3.3) über die dritte Anschlussklemme (X3) mit dem Minuspotential der Anlagenspannung verbunden ist und dass eine Rückspeisediode (3.4) mit ihrer Anode am Pluspol des Energiespeichers (3.3) und mit der Katode mit dem Pluspotential der Anlagenspannung über die erste Anschlussklemme (X1) verbunden ist.
Ladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsladeeinrichtung (3) mit ihren Schaltungselementen Ausgleichsladestromquelle (3.1), Strombegrenzer (3.2), Energiespeicher (3.3), Entkopplungsdiode (3.4) und Tiefentladedetektor (3.6) mit den Anschlussklemmen (X1, X2 und X3) und dem Schaltausgang (S) für Trennschalter, dem Messeingang (U) für die Batteriespannung, dem Messeingang (T) für die Batterietemperatur und dem Messeingang (I) für den Batteriestrom als kompakte Nachrüsteinheit ausgebildet ist.