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Halbleitergleichrichtergerät zur Ladung von Batterien Die Erfindung
bezieht sich auf ein Halbleitergleichrichtergerät zum Laden mehrerer Akkumulatorenbatterien
in Parallelschaltung. Solche Geräte zur Ladung nach strombegrenzter Konstantspannungskennlinie
sind unter dem Namen »Schnellader« bekannt. Sie werden heute in allen größeren Ladebetrieben
für Starter-, Antriebs-, Zuglichtbatterien u. a. benutzt. Der technische Fortschritt,
den die Ladetechnik durch die Anwendung der Konstantspannungsladung erzielt hat,
besteht darin, daß die Schnelladung von Batterien DIN 41750 mit beliebig großem
Strom ohne Gefährdung der Batterie möglich ist und daß beliebig viele Batterien
gleicher Nennspannung ohne Rücksicht auf den Lade- und Betriebszustand und auf die
Kapazität der einzelnen Batterie gleichzeitig parallel geladen werden können. Dabei
kann man den aus einer Batterie vor der Ladung entnommenen Kapazitätsanteil bei
ausreichender Geräteleistung in kurzer Zeit wieder in die Batterie hineinladen.
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Weiter sind Geräte für Parallelladung bekannt, die Zusatzgeräte aufweisen,
um die in Parallelschaltung bis zur Gasungsspannung (2,4 V/Z) geladenen Batterien
bis zur Ladeschlußspannung (2,65 V/Z) nachzuladen. Die der Nachladung dienenden
Zusatzteile sind hierbei mit dem Grundgleichrichter in Reihe geschaltet. Die Nachladung,
auch Ausgleichsladung genannt, soll jeweils nach mehreren IU-Ladungen (bis 2,4 V/Z
bei Bleibatterien) vorgenommen werden, um die Batterien vor Sulfatierung zu bewahren
und auf einen Füllungsgrad von mehr als 1001/o zu laden. Sie erfolgt meist nach
einer fallenden Kennlinie (W-Kennlinie nach DIN 4l774). Jeder der voneinander unabhängigen
Nachladeteile braucht nur für die Differenzspannung zwischen dem Konstantspannungswert
des Grundgerätes oder einem zwischen 2 V/Z und 2,4 V/Z liegenden Grundwert und der
Ladeschlußspannung von 2,65 V/Z ausgelegt zu werden und andererseits nur für einen
Ladestrom, welcher nur wenig höher ist als der für die Nachladung bei 2,4 V/Z zulässige
Höchstwert (8 % des Ah-Wertes der Batterie und bei 2,65 V/Z 4% dieses Wertes).
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In der Erkenntnis, daß es vorteilhafter ist, den Grundgleichrichter,
die Zusatzgleichrichter und die Regelgeräte in einem Gerät zusammenzufassen, geht
die Erfindung aus von einem Halbleitergleichrichtergerät mit einem Grundgleichrichter
zur spannungsgeregelten IU-Ladung mehrerer paralleler Batterien nach strombegrenzter
Konstantspannungskennlinie auf eine vorbestimmte Spannung, vorzugsweise 2,4 V/Z
und einem oder mehreren Zusatzgleichrichtern zur wahlweisen Volladung einer oder
mehrerer der Batterien durch auf die Konstantspannungsladung folgende Nachladung
nach fallender Kennlinie bis auf vorzugsweise 2,65 V/Z, wobei die Nachladespannungen
als Zusatzspannungen zur Grundspannung von eingebauten Zusatzgeräten geliefert werden.
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Bei solchen Geräten kann es vorkommen, daß eine zur Parallelladung
(IU-Ladung) angeschlossene z. B. sulfatierte Batterie in den ersten Minuten der
Ladung kurzzeitig einen erhöhten inneren Widerstand hat, der die Batteriespannung
auf den Konstantspannungswert ansteigen läßt, ohne daß ein entsprechender Füllungsgrad
erreicht ist. Wenn das Gleichspannungsrelais in solchen Fällen sofort ansprechen
würde, begänne die Nachladung bevor der Füllungsgrad der Batterie den vorbestimmten
Wert erreicht hat.
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Erfindungsgemäß werden die genannten Nachteile dadurch vermieden,
daß die nachzuladenden Batte, rien jeweils vor Erreichen des Konstantspannungswertes
z. B. bei 2,35 V/Z, durch je ein zugeordnetes Schaltglied selbsttätig zur voneinander
unabhängigen Nachladung vorbereitet werden, wobei das Schaltglied bei Erreichen
des vorgesehenen Spannungs-bzw. Stromansprechwertes erst nach Ablauf einer vorbestimmten
Ladezeit ansprechen kann und daß es beim Ansprechen nicht direkt die Nachladung
einschaltet, sondern eine verstellbare Verzögerungsanordnung betätigt, welche nach
Ablauf der eingestellten Zeit auf Nachladung umschaltet.
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Das die Nachladung einleitende Schaltglied ist also erst nach Ablauf
einer gewissen Ladezeit ansprechbereit. Vorher ist es gesperrt, um zu verhindern,
daß es irrtümlich zu früh die Nachladung einleitet. Hierbei kann als sperrendes
bzw. verzögerndes Glied ein Kondensator, aber auch irgendein anderes Zeitglied vorgesehen
sein. Das genannte Schaltglied kann z. B. ein Spannungsrelais, ein Stromrelais oder
ein Zeitschalter sein. Die Ansprechwerte sind dabei derart gewählt, daß sie etwas
unterhalb des dem Gasungsbeginn
entsprechenden Werten liegen. Dadurch
wird erreicht, daß das Schaltglied zuverlässig anspricht, auch wenn sich sein Ansprechwert,
z. B. infolge Alterung etwas verschoben hat. Um aber sicherzustellen, daß die gewünschte
Spannung von z. B. 2,4 V/Z bei Bleibatterien von der Batterie wirklich erreicht
wird, leitet das Schaltglied nicht sofort die Nachladung ein, sondern läßt ein Zeitglied
anlaufen, das seinerseits nach der eingestellten Zeit die Nachladung einschaltet.
Während dieser Zeit (z. B. 1 Stunde) geht die IU-Ladung weiter, so daß die Batterie
den nach der Parallelladung vorgesehenen Soll-Ladezustand sicher erreicht.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine selbsttätige Regelung
der Nachladeteile vorgesehen, um zu vermeiden, daß die Nachladespannung von der
Belastung des Grundgleichrichters abhängig wird. Diese kann sich während der Ladung
ändern, wenn eine weitere Batterie angeschlossen wird.
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Zur Anpassung der Nachladeteile an die unterschiedlichen Batteriekapazitäten
dienen Stufenschalter, die eine Auswahl der passenden Kennlinie gestatten.
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Ferner kann ein an sich bekannter Ladeschalter eingebaut sein, der
in @ Abhängigkeit von der Ladespannung oder der Ladezeit die Ladung unterbricht,
den Ladestrom herabsetzt oder auf IU-Ladung zurückschaltet.
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Durch die Reihenschaltung von Grundgleichrichter und Zusatzgleichrichter
wird die Ladekapazität des Parallelladeteils nur geringfügig herabgesetzt, da die
Nachladeströme im Verhältnis zum Grenzstrom des Gerätes klein sind.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt.
Die linke Hälfte der Zeichnung zeigt den Parallelladeteil. Seine Ladeklemmen bzw.
Ladeschienen sind mit I U bezeichnet. Die Ladespannung wird über den Grundgleichrichter
Gl1, den Transformator Tr 1, die Regeldrosseln Dr 1 und Dr2, den Hilfsgleichrichter
G14, einen Ausschalter und eine Sicherung Si 1 den Netzklemmen entnommen.
Die Steuerung des Ladestromes erfolgt durch die »Regeleinrichtung«.
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An den mit 1 UW bezeichneten Klemmen erfolgt die Ladung einer
zur Volladung vorgesehenen Batterie. Der Nachladeteil enthält einen Schalter .s
1 zur Parallelschaltung der Nachladeklemmen 1 UW zu den Hauptklemmen
IU, einen Halbleitergleichrichter G12,
einen netzgespeisten Zusatztransformator
Tr2, einen vom Spannungsabfall an den Regeldrosseln Dr 1 und Dr2 gespeisten
Hilfstransformator Tr3, eine Ladedrossel Dr3 und die Schaltmittel für die automatische
Einschaltung und Abschaltung der Nachladung. Hierbei handel es sich um ein Schütz
S, dessen Zugspule vom Netz gespeist wird, ein Gleichstromrelais R, dessen Kontakt
r 1 im Spulenkreis des Schützes S liegt und dessen Kontakt r2 im Spulenkreis
des Netzschützes N liegt, ferner um den selbsttätigen Ladeschalter M, dessen Kontakt
m 1 im Stromkreis seines Synchronmotors und des Netzschützes N liegt und dessen
Kontakt m 2 parallel zum Kontakts 4 des Schützes den Transistor T2 überbrückt. Das
Netzschütz N liegt über die Kontakte r 2 und m 1 an der Netzspannung.
Sein Kontakt ra 1 liegt im Spulenkreis des Relais R.
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Wird eine nachzuladende Batterie an die Klemme 1 UW bei netzseitig
abgeschaltetem Gerät angeschlossen, so wird das Relais R über den Kontakt s 4 bzw.
m 2 und den Kontakt n 1 betätigt, so daß der Spulenkreis für das Schütz
S über den Kontakt r 1
geschlossen wird. Gleichzeitig wird der
Spulenkreis für das Netzschütz N durch den Kontakt r2 geöffnet. Beim netzseitigen
Einschalten des Gerätes zieht das Schütz S sofort an und schließt seinen Kontakt
s 1. Gleichzeitig unterbricht es durch öffnen der Kontakte s 2 und s 3 die netzseitige
Speisung des Nachladezusatzes. Somit wird an den Ladeklemmen 1 UW
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nächst die Ladung nach IU-Kennlinie eingeleitet.
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In dem gewählten Beispiel erfolgt die Umschaltung auf Nachladung stromabhängig
mit Hilfe des Relais R. Ein Shunt Sh liegt in dem Zusatzkreis des Gleichrichters
G12. Die an dem Shunt abfallende stromproportionale Gleichspannung steuert
einen Transistor T2 Der Transistor beeinflußt den Strom durch die Zugspule des Relais
R, welches sich in Einschaltstellung befindet und erst nach Erreichen eines vorbestimmten
niedrigen Ladestromwertes abfällt. Dies ergibt sich dadurch, daß die an die Ladeklemmen
1 UW zur Konstantspannungsladung aus dem Hauptladekreis angeschlossene Batterie
mit zunehmendem Füllungsgrad einen abnehmenden Ladestrom aufnimmt. Bei Erreichen
des vorgesehenen Stromkleinstwertes fällt das Relais R ab. Sein Kontakt
r 1 öffnet den Zugspulenkreis des Schützes S,
während sein Kontakt
r2 über den Kontakt ml des Ladeschalters den Zugspulenkreis für das Schütz N schließt.
Dies hat zur Folge, daß das Relais R über den Kontakt n 1 für die Dauer der eingestellten
Nachladezeit abgeschaltet bleibt. 'Sodann öffnet das Schütz S seinen Kontakt s i,
so daß der Spannungsanstieg über den Konstantspannungswert hinaus eintreten kann
und damit die vorgesehene Nachladung mit W-Kennlinie eingeleitet wird. Durch den
Kontakt s2 ist nämlich gleichzeitig der Transformator Tr2 eingeschaltet worden.
Die für das Relais R erwünschte Ansprechverzögerung wird durch den parallel zur
Zugspule des Relais R liegenden Kondensator geeigneter Kapazität bewirkt.
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Im Netzkreis des Nachladeteiles mit den Ausgangsklemmen IUW liegt
der selbsttätige Ladeschalter M bekannter Ausführung. Bei Anschluß der Batterie
an die Klemmen IUW, also vor Beginn der Konstantspannungsladung, wird der Ladeschalter
in die Arbeitsstellung gebracht. Sein Synchronmotor. welcher das Zeitwerk betätigt,
ist ausgeschaltet. Erst wenn das Relais R durch öffnen seines Kontaktes r 1 angesprochen
hat, wird der Stromkreis des Synchronmotors geschlossen und der Transformator Tr2
eingeschaltet. Der Ladeschalter ist auf die für die Batterie vorgeschriebene Nachladezeit
einstellbar.
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Im Sekundär-Wechselstromkreis des Nachladeteiles liegt eine auf verschiedene
Anzapfungen schaltbare Ladedrossel Dr3. Diese bewirkt in bekannter Weise die gewünschte
W-Kennlinie. Je nach der Wahl der Drosselanzapfungen können durch Umklemmen oder
über einen Stufenschalter die zugehörigen Kennlinien für verschiedene Batteriekapazitäten
eingestellt werden. Um zu erreichen, daß bei den verschiedenen Batteriekapazitäten
das Relais R jeweils richtig anzieht, ist der Stufenschalter zweipolig ausgelegt.
Die zweite Schaltbahn verändert in geeigneter Weise den Vorwiderstand der Betätigungsspule
des Relais R, so daß dessen Ansprechpunkt der jeweils eingestellten Batteriekapazität
entspricht. Zur Erläuterung sind in der Zeichnung die fünfständigen Kapazitätswerte
für vier verschiedene Batterien (Ah. 180, 105, 84, 70) angegeben.
Wie
bereits ausgeführt, kann es vorkommen, daß nach Ingangsetzen der Nachladung der
Konstantspannungswert des Grundladegerätes von seinem Nennbetrag (z. B. 2,4 V/Z)
bis auf z. B. 2,1 V/Z absinkt, wenn zusätzliche Batterien an die Parallelladeklemmen
angeschlossen werden, wobei die Ladung im 1-Teil der Kennlinie erfolgt. Um zu vermeiden,
daß sich dieser Rückgang der Grundspannung auch auf die Nachladespannung auswirkt,
sind folgende Maßnahmen vorgesehen: Infolge des Rückgangs der Grundspannung des
Gerätes ändert sich proportional der Spannungsabfall an den RegeldrosselnDrl und
Dr2. Dieser Spannungsabfall wird über das Relais U in den Nachladekreis eingeführt.
Relais U wird bei Erreichen des Gerätenennstromes dadurch betätigt, daß es über
den Hilfsgleichrichter G13 mit zugehörigem Glättungskondensator und Einstellpotentiometer
aus einer zusätzlichen Sekundärwicklung des Stromwandlers Tr4 gespeist wird. Die
an dem Potentiometer abgegriffene Teilspannung steuert über eine Zenerdiode Z einen
Transistor T 1, der das Relais U betätigt. Es wird also bei Erreichen
des Gerätenennstromes über den Kontakt u 1 die Primärwicklung des Ausgleichstransformators
Tr 3 eingeschaltet. Gleichzeitig wird über den Kontakt u 2 die Primärwicklung
des Nachladetransformators Tr2 umgeschaltet. Wenn nun die Konstantspannung des Gerätes
auf einen Wert zwischen 2,4 V/Z und 2 V/Z absinkt, wird der Gerätenennstrom ständig
fließen. Dann findet aber durch den sich proportional ändernden Spannungsabfall
an den Regeldrosseln Drl und Dr2 über den Ausgleichstransformator Tr 3 ein Spannungsausgleich
derart statt, daß zu dem niedrigeren Grundwert der Ladespannung ein erhöhter Zusatzspannungswert
infolge der Reihenschaltung der Transformatorsekundärwicklungen Tr2 und Tr3 addiert
wird. Dieser Spannungsausgleich erfolgt kontinuierlich. Wird nun durch Erhöhung
des Füllungsgrades der zur Paralleladung angeschlossenen Batterien der Konstantspannungswert
wieder erreicht, so sinkt der Ladestrom wieder unter den Gerätenennstrom ab. Bei
einem vorbestimmten Stromwert, der unter dem Gerätenennstrom liegt, wird durch Abfall
von Relais U die Ausgleichsregeleinrichtung selbsttätig abgeschaltet.
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Wenn es vorkommen sollte, daß der selbsttätige Ladeschalter M einer
an die Volladeklemmen IUW angeschlossenen Batterie nicht in seine Arbeitsstellung
gebracht wird, verhindert ein Hilfskontakt M2 des Ladeschalters M den Abfall des
Relais R. Daher bleibt das Schütz S eingeschaltet und die Batterie bleibt unter
IU-Ladung, ohne in W-Nachladung zu gehen. Der gleiche Zustand tritt ein, wenn der
automatische Ladeschalter nach Ablauf der eingestellten Zeit die Nachladung beendet.
Auch dann wird bei dem Ausführungsbeispiel an den Anschlußklemmen IUW die IU-Ladung
wieder eingeschaltet, was einem Kennlinienverlauf IUoWoU nach DIN 41772 entspricht.
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An Stelle des einen Nachladeteiles können mehrere Nachladeteile gleicher
oder ähnlicher Ausführung vorgesehen sein.