DE1046737B

DE1046737B - Device for automatic charging or constant voltage maintenance of an electric battery

Info

Publication number: DE1046737B
Application number: DES31413A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Richard Widera
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1952-12-09
Filing date: 1952-12-09
Publication date: 1958-12-18

Description

Einrichtung zur selbsttätigen Ladung bzw. Spannungskonstanthaltung einer elektrischen Batterie Zur selbsttätigen Ladung elektrischer Batterien sind bereits zahlreiche Einrichtungen bekanntgeworden. Diese Einrichtungen sind jedoch mit einem recht erheblichen Aufwand versehen, da es bei ihnen zur Vermeidung von Beschädigungen der Batterie erforderlich ist, die Batteriespannung ständig zu überwachen, damit der Ladestrom bei Eintritt der Gasungsspannung verringert und beim Erreichen der maximalen Batteriespannung vollständig abgeschaltet wird. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, empfindliche Schalter und Regelorgane zu vermeiden und die Überwachung entbehrlich zu machen.Device for automatic charging or constant voltage maintenance an electric battery for the automatic charging of electric batteries numerous institutions have already become known. However, these facilities are provided with quite a considerable effort, since it is with them to avoid Damage to the battery requires constant monitoring of the battery voltage, so that the charging current is reduced when the gassing voltage occurs and when it is reached the maximum battery voltage is completely switched off. The task of the present Invention consists in avoiding sensitive switches and control organs and to make monitoring superfluous.

Es ist bereits vorgeschlagen, zur selbsttätigen Ladung bzw. Spannungskonstanthaltung einer elektrischen Batterie von einer Gleichspannung, die höher als die Batteriespannung ist, einen Spannungsteiler zu verwenden, der so bemessen ist, daß die zur Aufladung der Batterie erforderliche Spannung von dem Spannungsteiler abgegriffen wird. Bei einer derartigen Einrichtung steigt jedoch während der Ladung in dem zur Batterie parallel liegenden Teil des Spannungs-Leilers der Strom in gleichem Maße an, wie die Batteriespannung wächst. Da aber der an dem Vorwiderstand liegende Spannungsanteil nur um einen geringen Betrag, nämlich um den Spannungsanstieg der Batteriespannung, geringer geworden ist, kann sich der Gesamtstrom nur geringfügig ändern. Ungefähr in dein gleichen Maße, d. h. umgekehrt proportional mit der steigenden Batteriespannung, ändert sich auch der Ladestrom der Batterie. Dabei tritt aber während des Ladeverlaufes nur eine geringe Stromänderung ein. Das hat zur Folge, daß nach vollständiger Ladung der Batterie ein zu großer Ladestrom weiterfließt. Um eine Schädigung der Batterie zu vermeiden, muß deshalb auch hier die Batteriespannung ständig überwacht und eine Ausschaltung der Ladung vorgesehen werden. Um diese Überwachung zu vermeiden, kann man von vornherein mit kleinem Ladestrom beginnen. Dabei wird aber nur eine geringe Anzahl von Amperestunden in die Batterie eingeladen.It has already been proposed for automatic charging or for keeping the voltage constant an electric battery from a DC voltage higher than the battery voltage is to use a voltage divider that is sized to allow for charging The voltage required for the battery is tapped from the voltage divider. at however, such a device increases during the charge in that of the battery part of the voltage conductor lying parallel to the current to the same extent as the battery voltage grows. But there is the voltage component on the series resistor only by a small amount, namely the increase in battery voltage, has decreased, the total current can only change slightly. Approximately in your equal measure, d. H. inversely proportional to the increasing battery voltage, the charging current of the battery also changes. However, this occurs during the charging process only a slight change in current. As a result, after a full charge too high a charging current continues to flow through the battery. To damage the battery To avoid, the battery voltage must therefore also be constantly monitored and a Disconnection of the charge can be provided. To avoid this monitoring, you can start with a small charging current from the start. But this is only a small one Number of ampere-hours charged into the battery.

Erfindungsgemäß besteht der parallel zur Batterie liegende Teil des Spannungsteilers aus einem Widerstand mit negativer Stromspannungscharakteristik, beispielsweise einem Halbleiter, Trockengleichrichter od. dgl. Dabei ergeben sich bereits bei kleinen Spannungsänderungen verhältnismäßig große Strom- bzw. Widerstandsänderungen, die zur selbsttätigen Ladung bzw. Spannungskonstanthaltung der Batterie ausgenutzt werden.According to the invention, the parallel to the battery part of the Voltage divider consisting of a resistor with negative voltage characteristics, for example a semiconductor, dry rectifier or the like relatively large changes in current or resistance, even with small voltage changes, which are used for automatic charging or constant voltage maintenance of the battery will.

Ein Schaltungsbeispiel für die Erfindung ist in Fig. 1 dargestellt. Die zur Ladung der Batterie 1 erforderliche Spannung wird von einem Spannungsteiler 3 abgegriffen, der an die Netzspannung 2 angeschlossen ist. Der Spannungsteiler 3 setzt sich aus einem rein ohmschen Widerstand 4 und einem parallel zur Batterie liegenden Teil 5 zusammen, welcher aus einem Widerstand mit negativer Stromspannungscharakteristik besteht. In diesem Fall ist eine Anzahl von Gleichrichterzellen dargestellt worden. Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende. Ist die Batterie vollständig entladen, so ist bei Beginn der Ladung an den Batterieklemmen und ebenfalls an dem parallel liegenden Gleichrichter eine bestimmte Spannung (bei Bleiakkumulator 2,1 V/Zelle) vorhanden. Dabei stellen sich in Abhängigkeit von der Netzspannung, dem Vorwiderstand und dem Widerstand im Gleichrichter ein bestimmter Ladestrom Ib und ein bestimmter Gleichrichterstrom I, ein. Der Gesamtstrom I, welcher den Spannungsabfall im Vorwiderstand verursacht, ergibt sich aus Ib -f- I, Der im Gleichrichter fließende Strom I,. steigt entsprechend der Gleichrichtercharakteristik bei steigender Batteriespannung in weit höherem Maße an, als dies bei einem ohmschen Parallelwiderstand der Fall wäre, weil der Gleichrichterwiderstand bei steigender Spannung stark abfällt. Da die Summe von Ib -V- I, während des Ladeverlaufs nahezu konstant bleibt, so folgt hieraus, daß der Ladestrom Ib mit steigender Batteriespannung geringer wird. Die Schaltung kann so einreguliert werden, daß der Ladestrom der Batterie bei einer bestimmten Spannung (z. B. 2,4 oder 2,7 V/Zelle) zu 21"Tull wird. Auf diese Weise erreicht man eine selbsttätige Rufladung sowie eine selbsttätige Ladungserhaltung, da der Ladestrom sofort wieder einsetzt, sobald die Batteriespannung bei Entladung zurückgegangen ist. Außerdem läßt sich mit der beschriebenen Schaltung die Batteriespannung und damit die Spannung der angeschlossenen Verbraucher innerhalb bestimmter Grenzen konstant halten, um spannungsempfindliche Verbraucher gegen Überlastung zu schützen.A circuit example for the invention is shown in FIG. The voltage required to charge the battery 1 is tapped from a voltage divider 3 which is connected to the mains voltage 2. The voltage divider 3 is composed of a purely ohmic resistor 4 and a part 5 lying parallel to the battery, which consists of a resistor with a negative voltage characteristic. In this case a number of rectifier cells have been shown. The operation of the circuit is as follows. If the battery is completely discharged, a certain voltage (2.1 V / cell for lead-acid batteries) is present at the battery terminals and also at the rectifier in parallel at the start of charging. A certain charging current Ib and a certain rectifier current I. The total current I, which causes the voltage drop in the series resistor, results from Ib -f- I, the current I, flowing in the rectifier. increases in accordance with the rectifier characteristics with increasing battery voltage to a much greater extent than would be the case with an ohmic parallel resistor, because the rectifier resistance drops sharply with increasing voltage. Since the sum of Ib -V- I remains almost constant during the charging process, it follows from this that the charging current Ib becomes lower as the battery voltage increases. The circuit can be adjusted in such a way that the charging current of the battery becomes 21 "Tull at a certain voltage (e.g. 2.4 or 2.7 V / cell). In this way, automatic call charging and automatic charge retention are achieved , because the charging current starts again as soon as the battery voltage has decreased during discharge.In addition, the described circuit allows the battery voltage and thus the voltage of the connected consumers to be kept constant within certain limits in order to protect voltage-sensitive consumers against overload.

S ÜA Verbraucher angeschlossen, welche einen Spannun-sanstieg bis auf 2,7 V/Zelle nicht vertragen, soll " l,e r ander erseits eine Volladung z# der Batterie bis zu flieer Zellenspannung erreicht werden, so kann die Schaltung entsprechend Fig. 2 so ausgeführt werden, <1a1.1 in zwei Ladestufen geladen wird. Die Bezeichnungen sind die gleichen wie in Fig. 1. Zusätzlich sind die Verbraucher angeschlossen, welche in diesem Fall au-, einem spannungsempfindlichen Verbraucher 7 und drei spannungsempfindlichen Verbrauchern 8, 9 und 10 bestehen. Beim Einschalten der Verbraucher 8, 9, 10 wird der Schalter 6 vorteilhaft zwangläufig oder selbsttätig auf den Kontakt a gelegt, so daß die Spannung höchstens bis zu einem eingestellten, für die erbraucher zulässigen Wert ansteigen kann und auf dessen Höhe selbsttätig gehalten wird. Werden die spannungsempfindlichen Verbraucher B. 9, 10- nicht benötigt, so kann der Schalter 6 auf den Kontakt 'U gelegt werden, die Batterie wird bis zur Höchstspannung aufgeladen. Der Strom für die spannungsempfindlichen Verbraucher 8, 9 und 10 wird über einen weiteren Kontakt c des Hauptschalters 6 geführt, welcher bewirkt, daß beim Einschalten der spannungsempfindlichen Verbraucher die Batterie lediglich über den Kontakt 6a mit geringerer Spannung aufgeladen wird, so daß also eine Überspannung an den Verbrauchern nicht auftreten kann.S ÜA consumers connected, which cause a voltage rise up to to 2.7 V / cell not tolerated, on the other hand, a full charge should be generated Battery up to a slack cell voltage can be achieved, the circuit can be adjusted accordingly Fig. 2 are carried out in such a way that <1a1.1 is charged in two charging stages. The names are the same as in Fig. 1. In addition, the consumers are connected, which in this case au, a voltage-sensitive consumer 7 and three voltage-sensitive Consumers 8, 9 and 10 exist. When the consumer 8, 9, 10 is switched on the switch 6 advantageously automatically or automatically placed on contact a, so that the voltage is at most up to a set, permissible for the consumer Can increase in value and is automatically maintained at its level. Will the tension sensitive Consumer B. 9, 10- not required, the switch 6 can be on the contact 'U The battery is charged to the maximum voltage. The electricity for the voltage-sensitive loads 8, 9 and 10 is via a further contact c of the main switch 6, which causes that when you turn on the voltage-sensitive Consumers only charge the battery via contact 6a with a lower voltage so that an overvoltage cannot occur at the consumers.

Um beim Ausbleiben der Netzspannung eine Entladung der Batterie über den parallel liegenden Trockengleichrichter zu verhindern, kann zwischen Gleichrichter und Batterie ein Rückstromrelais oder ein weiterer Gleichrichter vorgesehen werden, welcher <her nur für den höchsten Ladestrom und höchste Batteriespannung zu bemessen ist.In order to discharge the battery if there is no mains voltage To prevent the parallel dry rectifier, between rectifiers and battery, a reverse current relay or another rectifier are provided, which should only be measured for the highest charging current and highest battery voltage is.

Die Erfindung eignet sich besonders zur Ladung von Batterien in solchen Fällen, in denen die in dem ohmschen Vorwiderstand 4 auftretenden Verluste keine Rolle spielen oder in irgendeiner Form ausgenutzt werden können. Dies ist beispielsweise der Fall bei oberleitungsgespeisten elektrischen Fahrzeugen, bei welchen eine Beleuchtungsbatterie kleinerer Spannung auf Ladung erhalten werden soll und bei denen häufig an Stelle des Vorwiderstandes Lüftermotoren, Heizkörper oder sonstige Nebenbetriebe eingeschaltet -:-erden können.The invention is particularly suitable for charging batteries in such Cases in which the losses occurring in the ohmic series resistor 4 are not Play a role or can be exploited in any way. This is for example the case with overhead line-powered electric vehicles that have a lighting battery lower voltage on charge should be obtained and where often in place of the series resistor, fan motors, radiators or other auxiliary operations are switched on -: - can ground.

In Fig. 3 ist der Ladestrom Ib in Abhängigkeit von der Batterieklemmenspannung Ub eingezeichnet. Die Konstruktion der Ladekurve ist folgende: In einem Stromspannungsdiagramm wird die Netzspannung Un, die Batterieklemmenspannung bei Beginn der Ladung U" sowie die Batterieklemmenspannung bei Ende der Ladung U, eingetragen. Weiterhin zeichnet man die Charakteristik R" des Trockengleichrichters 5 ein. Als Schnittpunkt mit der Spannungslinie U, erhält man den Punkt B. Der Schnittpunkt A der Spannungslinie U" mit der Linie I = 0 wird mit dem Punkt B verbunden. Durch die Neigung dieser Geraden ist die Größe des Vorwiderstandes 4 bestimmt. Durch den Punkt C (Schnittpunkt der Spannungslinie U" mit der Gleichrichteicharakteristik Re) zieht man eine Parallele zu A-B. Diese schneidet die Linie U" im Punkt D. Das Lot vom Punkt D auf die Linie L'" ergibt den Punkt E. Damit ist der Anfangspunkt für die Ladekennlinie der Batterie gefunden. Der Endpunkt der Ladekennlinie ergibt sich aus der Bedingung, daß bei der Endspannung die Stromstärke gleich Null sein soll, also als Schnittpunkt der U,-Linie und der 1=0-Achse ist. Die Zwischenpunkte der Ladekurve werden in gleicher Weise ermittelt.In Fig. 3, the charging current Ib is shown as a function of the battery terminal voltage Ub. The construction of the charging curve is as follows: The line voltage Un, the battery terminal voltage at the beginning of charging U "and the battery terminal voltage at the end of charging U are plotted in a current-voltage diagram. The characteristic R" of the dry-type rectifier 5 is also drawn in. The point of intersection with the voltage line U is the point B. The point of intersection A of the voltage line U "with the line I = 0 is connected to the point B. The slope of this straight line determines the size of the series resistor 4 (Intersection of the voltage line U "with the rectification characteristic Re) one draws a parallel to AB. This intersects the line U "at point D. The perpendicular from point D to line L '" results in point E. This is the starting point for the charging characteristic of the battery. The end point of the charging curve results from the condition that the current intensity should be zero at the end voltage, i.e. it is the intersection of the U, line and the 1 = 0 axis. The intermediate points of the charging curve are determined in the same way.

In Fig. 4 ist der Verlauf des Ladestromes für ein bestimmtes Beispiel ermittelt. Es wurde angenommen: Netzspannung U,t = 1200V, Batterie 2 - 6 Zellen Bleiakkumulatoren, Batterieklemmenspannung bei Beginn der Ladung U, = 25 V, Batterieklemmenspannung bei Ende der Ladung U, = 33 V. Da U" sehr viel größer als U, bzw. U" ist, kann der Einfluß der Batteriespannungsänderung während des Verlaufs der Ladung auf den im Vorwiderstand 4 fließenden Gesamtstrom I vernachlässigt werden. Damit kann also praktisch mit konstantem Strom I gerechnet werden. Es ergibt sich dabei die eingezeichnete Ladekurve I. Der Ladestrom beträgt zu Beginn der Ladung 4,5 A, bei Volladung ist er Null. Würde man an Stelle des Trockengleichrichters einen Widerstand mit geradliniger Charakteristik verwenden, und zwar von einer solchen Größe, daß sich der gleiche Anfangsladestrom einstellt, so verläuft die Ladung nach der Kurve II. Wird ein ohmscher Widerstand so bemessen, daß bei einer Spannung von 33 V der Ladestrom Null wird, so ergibt sich hierfür der Ladeverlauf nach der Kurve III. Man erkennt, daß in einem Falle der Ladestrom am Ende der Ladung viel zu groß ist und für eine besondere Abschaltung gesorgt werden muß, während im anderen Fall nur eine geringe Anzahl Amperestunden in die Batterie eingeladen «erden kann.In Fig. 4, the course of the charging current is determined for a specific example. It was assumed: Mains voltage U, t = 1200V, battery 2 - 6 cells lead-acid batteries, battery terminal voltage at the beginning of charging U = 25 V, battery terminal voltage at the end of charging U = 33 V. Since U "is much greater than U, or . U ", the influence of the battery voltage change during the course of the charge on the total current I flowing in the series resistor 4 can be neglected. In this way, a constant current I can practically be expected. This results in the drawn charging curve I. The charging current is 4.5 A at the beginning of charging, and is zero when fully charged. If, instead of the dry rectifier, a resistor with a straight-line characteristic were used, namely of such a size that the same initial charging current is established, then the charging would follow curve II If the charging current becomes zero, this results in the charging process according to curve III. It can be seen that in one case the charging current at the end of the charge is much too high and a special switch-off must be provided, while in the other case only a small number of ampere hours can be charged into the battery.

Durch entsprechende Auslegung des negativen Widerstandes bzw. durch entsprechende Bemessung der Plattenzahl und Plattengröße des Trockengleichrichters kann die Ladekennlinie so verschoben werden, daß ein für die Ladung günstiger Verlauf der Kurve erreicht wird. Insbesondere kann die Ladekurve so ausgelegt werden, daß der Ladestrom gemäß den Vorschriften der Akkumulatorenfabriken bei Eintritt der Gasungsspannung (2,4 V/Zelle) entsprechend verringert wird.By appropriate design of the negative resistance or by Corresponding dimensioning of the plate number and plate size of the dry rectifier the charging curve can be shifted in such a way that the curve is favorable for charging the curve is reached. In particular, the charging curve can be designed so that the charging current according to the regulations of the accumulator factories when the Gassing voltage (2.4 V / cell) is reduced accordingly.

Claims

Claim: Device for automatic charging or voltage constant maintenance of an electric battery when the battery is connected via a voltage divider resistor to a direct voltage that is higher than the battery voltage, characterized in that the part of the voltage divider lying parallel to the battery consists of a resistor with negative current voltage characteristics (semiconductor , Dry rectifier). Considered publications: German Patent Nos. 383 917, 500 793, 631992, 730137; Austrian patent specification No. 100 949.