DE10335018A1

DE10335018A1 - Vorrichtung zum Aufladen einer Batterie

Info

Publication number: DE10335018A1
Application number: DE10335018A
Authority: DE
Inventors: Günter Lohr
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-07-31
Filing date: 2003-07-31
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2023-08-01
Also published as: CN1581634B; US20050024017A1; DE10335018B4; US8018201B2; CN1581634A; US20110267010A1; FR2858485A1; DE20321116U1; GB2404504B; GB2404504A; GB0416997D0; US20090051328A1; FR2858485B1

Abstract

Eine mit wenigen und kostengünstigen Bauelementen realisierbare Ladeschaltung weist einen ersten Transistor (T1) auf, über den ein Ladestrom in die an die Vorrichtung angeschlossene Batterie (B) fließt. An den Steuereingang des ersten Transistors (T1) ist eine Stromquelle (T3, T4, R1, R2) angeschlossen, welche den Steuerstrom für den ersten Transistor (T1) so einstellt, dass der erste Transistor (T1) bei Erreichen einer vorgegebenen maximalen Ladespannung an der Batterie (B) abschaltet und damit den Ladestromfluss unterbricht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Aufladen einer Batterie. Die Vorrichtung soll insbesondere zur Aufladung von Batterien geeignet sein, deren Aufladung spannungsgesteuert abläuft, wie das beispielsweise bei Lithium-Ionen Batterien oder bei Bleibatterien der Fall ist.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufladen einer Batterie weist einen ersten Transistor auf, über den ein Ladestrom in die an die Ladevorrichtung angeschlossene Batterie fließt. An den Steuereingang dieses ersten Transistors ist eine Stromquelle angeschlossen, welche den Steuerstrom für den ersten Transistor so einstellt, dass der erste Transistor bei Erreichen einer vorgegebenen maximalen Ladespannung an der Batterie abschaltet und damit den Ladestromfluss unterbricht.

Es handelt sich hierbei um eine Ladeschaltung, die mit sehr wenigen und zudem kostengünstigen Bauelementen realisierbar ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Eine sehr starke Vereinfachung der Schaltung ergibt sich dadurch, dass an den Steuereingang des ersten Transistors eine Zenerdiode angeschlossen ist, deren Zenerspannung überschritten wird und damit der Steuerstrom im Wesentlichen nicht mehr dem Steuereingang des ersten Transistors zufließt, sondern aus der Stromquelle über die Zenerdiode abfließt, sobald die am ersten Transistor anliegende Ladespannung der Batterie ihren vorgegebenen Maximalwert erreicht.

Es ist zweckmäßig, an den ersten Transistor einen zweiten Transistor anzuschließen, der nach Abschaltung des ersten Transistors den Steuereingang des ersten Transistors auf einem Potential hält, das geringer ist als das Potential der Ladespannung der an den ersten Transistor angeschlossenen Batterie. Damit wird erreicht, dass keinesfalls nach Abschaltung des Ladestroms durch den ersten Transistor auch nur ein noch so geringer Ladestrom in die Batterie fließt.

Bei Einschalten des Ladevorgangs kann es vorkommen, dass ein sehr hoher Ladestrom fließt, der den zweiten Transistor schließen und damit den Ladevorgang unterbrechen würde. Um das auszuschließen, ist der Steuereingang des zweiten Transistors mit einem R/C-Glied beschaltet, das eine verzögerte Einschaltung des zweiten Transistors bewirkt.

Die Stromquelle wird mit geringem Schaltungsaufwand dadurch betrieben, dass in einem den Ladestrom führenden Pfad mehrere Dioden in Reihe geschaltet sind und die Stromquelle die an den Dioden abfallende Spannung abgreift.

Zeichnung

Das in der Zeichnung dargestellte Schaltbild zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Aufladen einer Batterie.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
Die in der Zeichnung dargestellte Schaltung zur Aufladung einer Batterie weist zwei Eingangsklemmen 1 und 2, an die ein nicht dargestelltes Netzteil anschließbar ist, und zwei Ausgangsklemmen 3 und 4 auf, an die die aufzuladende Batterie B angeschlossen wird. Die aufzuladende Batterie B ist beispielsweise eine Lithium-Ionen Batterie. Die Klemme 3 liegt auf Plus-Potential der Batterie B, und die Klemme 4 liegt auf Masse. Zwischen der Eingangsklemme 1 und der Ausgangsklemme 3 ist die Reihenschaltung mehrerer Dioden D1, D2 und D3 und eines ersten Transistors T1 geschaltet. Dabei ist der erste Transistor T1 mit seiner Kollektor-Emitter-Strecke in den den Ladestrom zu der Batterie B führenden Pfad eingesetzt. Die zweite Eingangsklemme 2 und zweite Ausgangsklemme 4 sind beide gemeinsam auf Massepotential gelegt.
Die Reihenschaltung der Dioden D1, D2 und D3 verursacht in dem Ladestrompfad einen Spannungsabfall, an dem eine Stromquelle betrieben wird. Anstelle der Dioden können auch Widerstände eingesetzt werden. Allerdings haben Dioden den Vorteil, dass die Diodenspannung immer konstant ist, unabhängig vom Ladestrom. Das ist bei üblichen ohmschen Widerständen nicht der Fall. Außerdem werden Widerstände bei hohem Ladestrom heiß.
Die Stromquelle weist zwei Transistoren T3 und T4 auf, wobei die Basis des Transistors T3 mit dem Kollektor des Transistors T4 und die Basis des Kollektors T4 mit dem Emitter der Transistors T3 verbunden ist. Der Emitter des Transistors T4 ist mit dem Steuereingang (Basis) des ersten Transistors T1 verbunden. Des Weiteren ist der Kollektor des Transistors T3 und dessen Basis über einen Widerstand R1 mit der Eingangsklemme 1 verbunden. Der Emitter des Transistors T3 und die Basis des Transistors T4 sind über einen Widerstand R2 an den Steuereingang des Transistors T1 angeschlossen. Eine zwischen der Eingangsklemme 1 und dem Kollektor des Transistors T3 eingeschaltete Diode D4 dient in bekannter Weise als Verpolschutz. Die aus den beiden Transistoren T3 und T4 und den beiden Widerständen R1 und R2 bestehende Stromquelle stellt, wie nachfolgend beschrieben, den dem Steuereingang des ersten Transistors T1 zugeführten Steuerstrom so ein, dass der erste Transistor bei Erreichen einer vorgegebenen maximalen Ladespannung an der Batterie B abschaltet und damit den Ladestromfluss von der Eingangsklemme 1 zur Ausgangsklemme 3 unterbricht.
Eine zwischen den Steuereingang des ersten Transistors T1 und Masse eingefügte Zenerdiode ZD bewirkt im Zusammenspiel mit der zuvor beschriebenen Stromquelle, dass der erste Transistor bei Erreichen einer vorgegebenen maximalen Ladespannung der Batterie geöffnet wird und damit den Ladestromfluss unterbricht. Solange die Batteriespannung an der Ausgangsklemme 3 die Basis-Emitter-Spannung UBE1 des ersten Transistors T1 kleiner als die Zenerspannung der Zenerdiode ZD ist, fließt der von der Stromquelle gelieferte Steuerstrom nahezu vollständig in den Steuereingang (Basis) des ersten Transistors T1 und hält diesen leitend. Lediglich ein kleiner Anteil des Steuerstromes fließt durch einen zur Zenerdiode ZD parallel geschalteten Widerstand R3 nach Masse ab. Sobald die Ladespannung der Batterie B an der Klemme 3, d. h. die Basisemitterspannung UBE1 des ersten Transistors T1 einen Wert erreicht hat, der der Zenerspannung der Zenerdiode ZD entspricht, fließt der größte Teil des von der Stromquelle gelieferten Steuerstromes über die Zenerdiode ZD nach Masse ab. Das bedeutet, dass der Steuerstrom für den ersten Transistor T1 so klein wird, dass er nicht mehr ausreicht, den ersten Transistor T1 zu schließen. Dann öffnet der erste Transistor T1 und unterbricht den Ladestrom zur Batterie B.
Damit sichergestellt ist, dass nach Erreichen der maximal vorgegebenen Ladespannung für die Batterie B der erste Transistor T1 nicht mehr schließt und somit kein Ladestrom mehr der Batterie B zugeführt wird, ist an den Kollektor des ersten Transistors T1 über ein R/C-Glied, bestehend aus dem Widerstand R4 und der Kapazität C, die Basis eines zweiten Transistors T2 angeschlossen, dessen Emitter mit der Basis des ersten Transistors T1 und dessen Kollektor mit der Stromquelle verbunden ist. Wenn nun, wie vorangehend beschrieben, bei Erreichen der maximal vorgegebenen Ladespannung der Steuerstrom an der Basis des ersten Transistors T1 absinkt, steigt die Spannung zwischen Kollektor und Basis dieses ersten Transistors T1 an. Die Folge davon ist, dass diese Spannung den zweiten Transistor T2 und auch den Transistor T3 der Stromquelle einschaltet. Daraufhin schaltet die Stromquelle den Steuerstrom für den ersten Transistor T1 ab. Zudem bestimmt nun der zweite Transistor T2, welcher mit den Widerständen R1 und R3 einen Spannungsteiler bildet, das Potential an der Basis des ersten Transistors T1. Die Dimensionierung der Widerstände R1, R3 und des Transistors T2 ist so gewählt, dass das Potential an der Basis des ersten Transistors T1 deutlich geringer ist als das Plus-Potential an der Klemme 3 der Batterie B. Damit ist die Basisemitterstrecke des Transistors T1 sicher gesperrt und es kann kein Strom mehr in die aufgeladene Batterie B fließen.
Das an die Basis des zweiten Transistors T2 angeschaltete R/C-Glied R4, C bewirkt ein verzögertes Einschalten des zweiten Transistors T2. Durch die Einschaltverzögerung des zweiten Transistors T2 wird verhindert, dass dieser zweite Transistor T2 schließt und damit ungewollt die Stromquelle ausschaltet, falls beim Einschalten des Ladegerätes ein höherer Ladestrom fließen sollte.
Wenn die Batterie B z. B. aus nur einer Lithium-Ionen-Zelle besteht, deren Abschaltspannung bei ca. 4,1 V liegt, reicht die übliche Basis-Emitter-Sperrspannung von -5 V des ersten Transistors T1 für den Ladevorgang aus. Bei zwei oder mehr in Serie geschalteten Batteriezellen muss entweder eine Diode (in der Zeichnung nicht dargestellt) zwischen den Emitter des ersten Transistors T1 und der Batterie B geschaltet werden, oder es muss ein erster Transistor T1 mit höherer zulässiger Basis-Emitter-Sperrspannung eingesetzt werden.
Es ist vorteilhaft, die Zenerdiode ZD durch mehrere in Reihe geschaltete Zenerdioden mit kleineren Zenerspannungen zu ersetzen, da diese Zenerdioden negative Temperaturkoeffizienten aufweisen, die den Temperaturgang der Basis-Emitter-Spannung UBE1 des ersten Transistors T1 und der Diode D4 kompensieren.
Statt die Referenzspannung für die Abschaltung des ersten Transistors T1 mittels der Zenerspannung einer Zenerdiode ZD zu realisieren, kann auch mit anderen Schaltungsmitteln eine Referenzspannung erzeugt werden.

Claims

Vorrichtung zum Aufladen einer Batterie, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Transistor (T1) vorhanden ist, über den ein Ladestrom in die an die Vorrichtung angeschlossene Batterie (B) fließt und dass an einem Steuereingang des ersten Transistors (T1) eine Stromquelle (T3, T4, R1, R2) angeschlossen ist, welche den Steuerstrom für den ersten Transistor (T1) so einstellt, dass der erste Transistor (T1) bei Erreichen einer vorgegebenen maximalen Ladespannung an der Batterie (B) abschaltet und damit den Ladestromfluss unterbricht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den Steuerstrom des ersten Transistors (T1) eine Zenerdiode (ZD) angeschlossen ist, deren Zenerspannung überschritten wird und damit der Steuerstrom aus der Stromquelle (T3, T4, R1, R2) im Wesentlichen nicht mehr dem Steuereingang des ersten Transistors (T1) zufließt, sondern über die Zenerdiode (ZD) abfließt, sobald die am ersten Transistor (T1) anliegende Ladespannung der Batterie (B) ihren vorgegebenen Maximalwert erreicht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an den ersten Transistor (T1) ein zweiter Transistor (T2) angeschlossen ist, der nach Abschalten des ersten Transistors (T1) den Steuereingang des ersten Transistors (T1) auf einem Potential hält, das geringer ist als das Potential der Ladespannung der an den ersten Transistor (T1) angeschlossenen Batterie (B).
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuereingang des zweiten Transistors (T2) mit einem R/C-Glied (R4, C) beschaltet ist, das eine verzögerte Einschaltung des zweiten Transistors (T2) bewirkt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem den Ladestrom führenden Pfad mehrere Dioden (D 1, D2, D3) in Reihe geschaltet sind und dass die an den Dioden (D1, D2, D3) abfallende Spannung die Stromquelle (T3, T4, R1, R2) betreibt.