DE1588035A1 - Zellenschalter zum An- und Umschalten eines Verbrauchers an einen beliebigen Abgriff einer aus Einzelzellen zusammengesetzten Gleichstromquelle - Google Patents

Description

• Zellenschalter zum An- und Umschalten eines Verbrauchers an einen beliebigen Abgriff einer aus Einzelzellen zusammenge- setzten Gleichstromquelle.
• Die Versorgung eines Verbrauchers aus einer Gleichstromquelle, die aus einer Reihenschaltung von Einzelzellen besteht, z.B. einer Akkumulatorbatterie oder Brennstoff zellenbatterie, ergibt häufig die Aufgabe, die Spannung am Verbraucher in gewünschter gleise zu verändern oder aber unabhängig vom Verbraucherstrom und von der Charakteristik der Gleichstromquelle innerhalb eines vorgegebenen Spannungsbereiches zu halten. Für beide Aufgaben gibt es zwei bekannte Lösungsmöglichkeiten, die mit geringen Verlusten verbunden sind und daher auch für hohe Verbraucherströme geeignet sind: Die Wechselrichtung in Verbindung mit einer geeigneten Regelung sowie das Ab- und Zuschalten sogenannter Schaltzellen durch einen Zellenschalter.
• Die Erfindung betrifft einen Zellenschalter, der das An--und Umschalten eines Verbrauchers an eine gewünschte Zahl in Reihe geschalteter Zellen einer Gleichstromquelle mit Hilfe von Thyristoren ertaubt. Dieser Zellenschalter ist eine elektronische Schaltung, die dadurch gekennzeichnet ist, daß von den Zellenabgriffen je eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Thyristor zum Verbraucher führt und daß außerdem jeder Zellenabgriff über je einen der genannten Widerstände und je einen Löschthyristor mit einem Zweipol verbunden ist, der aus einer Reihenschaltung einer kleinen Induktivität mit einem Kondensator, dem ein Widerstand parallel geschaltet i;t, besteht und der an den Gegenpol der Gleichstromquelle führt.

  Erf:nd_xngsgemäß kann, ausgehend von dem Zustand, daß alle Thyri-

  ßtoren :,espc.°r-t sind, durch Zündung des entsprechenden Tii;,-ristors

  i:xe@ lpi t@nde @er@i@unc; vom Verbraucher zu einem beliebigen Zellen-

  abgriff hergestellt werden und, ausgehend von dem Zustand, daß ein Thyristor gezündet ist, auf einen beliebigen höheren oder den nächst tieferen Zellenabgriff durch Zündung des entsprechenden Thyristors und eines zugehörigen Löschthyristors umgeschaltet werden. Erfindungsgemäß wird bei jeder Umschaltung der ursprünglich stromführende Thyristor gesperrt.
• Die Zündelektroden je eines Thyristors und desjenigen Nschthyristors, der zum nächst höheren Zellenabgriff führt, sind jeweils über einen Kondensator an einen gemeinsamen Zündanschluß geführt, so daß die genannten Umschaltvorgänge von jeweils nur einem Zündimpuls ausgelöst werden.
• Die Vorteile der Erfindung bestehen darin, daß der Zellenschalter keine mechanisch bewegten Teile enthält, die einem Verschleiß unterliegen, daß die Schaltung selbst größter Ströme mit geringem Schaltungsaufwand und geringem Energieverbrauch kurzzeitig erfolgt, daß der Funktionsablauf des Zellenschalters leicht programmiert und an verschiedenartige Probleme einfach angepaßt werden kann, daß der Zellenschalter geringes Gewicht und Volumen hat, wartungsfrei ist und keine zusätzliche elektrische Versorgung benötigt.
• Die Funktion des Zellenschalters soll an Hand von Abb.l erläutert werden. Von den beliebig vielen möglichen Zellenabgriffen sind im Ausführungsbeispiel nach Abb.l fünf Zellenabgriffe n, n=1, n-2, n-3, n-4 dargestellt. Dabei liegt der LIinuspol der Gleichstromquelle an Klemme 0, die Zellenabgriffe n, n-1, n-2, n-3, n-4-sind dagegen positiv und Zellenabgriff n hat das höchste positive Potential. Solange noch kein Thyristor eingeschaltet ist, läßt sich irgendeiner der `Phyristoren Tn, `Pn-l, 'rn-2' T n-3' T n-4 durch einen positiven Zündimpuls an einem der zugehörigen Zündanschlüsse Zn, Zn-1' Zn-2' Zn-3' Zn-4 einschalten.
• Ist beispielsweise der Thjristor T n-2 eingeschaltet, so kann durch

  amen Zündimpuls am 27jündanschluß Z der Thyristor T1 eingeschaltet

  n n e 0 ei 1 1.,Gl#,. n-

  werden, wobei der Thyristor T n-2 automatisch erlischt und der Verbraucher somit vom Zellenabgriff n-2 auf den Zellenabgriff n-1 hochgeschaltet ist. Das #-,-leichzeitige Zünden des Löschthyristors TL n beim Zünden des Thyristors Tn-l ist beim Hochschalten bedeutungslos.
• Das Herunterschalten soll wieder ausgehend von dem Zustand beschrieben werden, daß der Thyristor T n-2 Strom führt. Wird nun an den Zündanschluß Zn-3 ein positiver Zündimpuls gegeben, so zünden der Thyristor T n-3 und gleichzeitig der Löschthyristor TL n-2. Der Löschthyristor ist vorgesehen, um den ursprünglich stromführende Thyristor T n-2 zu löschen. Die Löschun.;des Thy ristors T n-2 wird dadurch eint eleitet, daß der durch den Löschthyristor TL n-2 fließende Stromimpuls am Widerstand R n-2 einen entsprechenden Spannungsabfall hervorruft. Der Stromimpuls bildet sich durch Aufladung des Kondensators CL über den gezündeten Löschthyristor TL -2 aus. Der Zeitverlauf des Stromimpulses, der zur sicheren Löschung des Thjrristors T n-2 etwa 10-4 sec lang sein muß, ist durch die Induktivität.L und den Kondensator CL festzulegen. Der nach erfolgter Umschal 4-_i1- vollgeladene Kondensator CL wird über den Widerstand R entladen, damit eine erneute Umschaltung erfolgen kann. Der positive Zündimpuls am Zündanschluß Zn-3 bewirkt somit ein Herunterschalten des Verbrauchers vom Zellenabgriff n-2 auf den Zellenabgriff n-3.
• In Abb.2 ist ein Ausführungsbeispiel des Zellenschalters dargestellt, in dem die Zinndung durch eine einfache Druckkontaktsteuerung erfolgt. Zu diesem Zweck sind die Zündanschlüsse Zn, Zn-1, Zn-2' Zn-3' Zn-4 über je einen Druckkontakt Kn, Kn-1, "n-2, n-3, n-4 und den Widerstand Vd mit dem positiven Pol n der Gleichstromquelle verbunden. Durch Druck auf den zugehörigen Druckkontakt wird der Verbraucher automatisch auf den zugehörigen Zellenabgriff geschaltet.
• in Abb.3 ist ein Ausführungsbeispiel des Zellenschalters mit einer automatischen Ansteuerung der Zündanschlüsse Zn, Zn-1, 'n-2' Zn-3' Zn-4 dargestellt. Die Anordnung dient dazu, um Schwankungen der Verbraucher- Spannung, wie sie durch Laständerungen und die Charakteristik der Gleichstromquelle hervorgerufen werden, auf einen Wert von der Größe der Zellenspannung zu begrenzen. Im Trigger Tr wird die Verbraucher-Spannung zwischen den Anschlüssen II und I mit einer konstanten, beliebig wählbaren Vergleichsspannung Uv verglichen. Der Trigger gibt am Vorwärtsausgang Vo dann einen Impuls ab, wenn die Spannung am Verbraucher kleiner als die Vergleichsspannung Uv wird. Wird die Verbraucher-Spannung größer als die Summe von Vergleichsspannung Uv und Zellenspannung, dann gibt der Trigger Tr am Rückwärtsausgang Rd einen Impuls ab. Der Vorwärtsausgang Vo und der Rückwärtsausgang Rü sind mit den entsprechenden Eingängen eines Vorwärts-Rückwärts-Zählers VRZ verbunden, wie er beispielsweise in der Zeitschrift "Electronic Engineering Vol.29, 1957, S.5¢6 bis S.550, beschrieben ist. Die Ausgänge des Vorwärts-Rückwärts-Zählers VRZ sind mit den Zündanschlüssen Zn, Zn-1' Zn-2' Zn-3' Zn-4 verbunden. Die Ausgangsimpulse des Vorwärts-Rückwärts-Zählers VRZ müssen positiv und so dimensioniert sein, daß sie zur Zündung der Thyristoren ausreichen.

Claims (3)

1. P a t e n t ans p r ü c h e 1. Zellenschalter mit Thyristoren für das An- und Umschalten eines Verbrauchers an einen beliebigen Zellenabgriff einer aus beliebig vielen Einzelzellen zusammengesetzten Gleichstromquelle, z.B. einer Akkumulatorbatterie oder Brennstoffzellenbatterie, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß von den positiven Zellenabgriffen (n, n-1, n-2, ... ) der Gleichstromquelle je ein kleiner Widerstand (Rn, R n-1' Rn-2' #.:) in Reihe mit je einem Thyristor (Tn, Tn-l' T n-2, ...) zu einem Ende (II) des Verbrauchers führt, dessen anderes Ende (I) mit dem Minuspol (0) der Gleichstromquelle verbunden ist, und daß die Anoden aller Thyristoren (T n, T n-1' T n-2' ... ) mit den Anoden je eines Löschthyristors (TL n, TL n-1, TL n_2, ...) verbunden sind und daß die Kathoden der Löschthyristoren (TL n, TL n-11 TL n_2201"1) verbunden sind und über die Reihenschaltung einer kleinen Induktivität (L) und eines Kondensators (C L), dem ein Widerstand (R) parallel ge- schaltet ist, an den Minuspol (0) der Gleichstromquelle führen und daß die Zündelektroden je eines Thyristors (z.B. T n-2) und desjenigen Löschthyristors (z.-B. TL n-1 ), der zur Anode des nächst höheren Thyri- stors (z.B. Tn-1) führt, jeweils über einen Kondensator (C) paarweise zusammen an je einen Zündansehluß (Zn, Zn-1, Zn-2,...) geschaltet sind, so daß durch einen Zündimpuls ein beliebiger Thyristor (z.B. T n_2) eingeschaltet werden kann und beim Umschalten auf einen höheren Zellen- abgriff (z.B. n-1 oder n) durch Zünden des entsprechenden Thyristors (z.B. T n-1 oder Tn) der ursprünglich stromführende Thyristor (z.B.Tn-2) automatisch erlischtp während beim Herunterschalten auf den nächst tieferen Zellenabgriff (z.B. n-3) durch Zünden des entsprechenden Thyristors (z.B. Tn-3) der ursprünglich .stromführende Thyrietor (%B. Tn-2) du:y°th gleichzeitiges Zünden desjenigen Lösehthyrietors (z.B. TL n_2) gelöscht wird, dessen Anode mit der Anode des ui :,prüng2 " nh etronr- führenden Thyristors (z.H. T "_L) verbunden, ist und du#t#a_i den dabei ein Stromimpuls fließt, der einen entsprechenden Spannungsabfall an dem kleinen Widerstand (z.B. Rn-2) hervorruft, der an der Anode des stromführenden Thyristors liegt, und dessen Zeitverlauf durch Kondensator (C L) und Induktivität (L) festgelegt ist.
2. 2. Zellenschalter mit Thyristoren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichstromquelle umgepolt ist, also der.Pluspol direkt zum Verbraucher führt und die Zellenabgriffe dagegen eegatives Potential haben und in der Schaltung alle Thyristoren umgepolt sind.
3. 3. Zellenschalter mit Thyristoren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den Zellenabgriffen (n, n-1, n-2,...) und den Thyristoren (T", T n-1, Tn-2, ...) liegenden kleinen Widerstände (Rn' R n-1' Rn-2' ... ) durch die Zuleitungskabel von den Zellenabgriffen (n, n-1, n-2, ...) zu den Thyristoren (Tn, Tn-1, Tn-2, ... ) gebildet werden. q.. Zellenschalter mit Thyristoren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zum Umschalten des Verbrauchers an einen beliebigen Zellenabgriff der Gleichstromquelle benötigten Steuerimpulse für die einzelnen Thyristoren über je einen Druckkontakt ( n9 g n-1' Kn-2' ob*) erzeugt werden, der die Zündanschlüsse (Zn, Zn-1, Zn-2, ... ) mit dem Pluspol der Gleichspannungsquelle über einen Vorwiderstand (W) verbindet, so daß jedem Zellenabgriff ein Druckkontakt zugeordnet ist, wobei durch Druck des entsprechenden Knopfes der zugehörige Zellenabgriff automatisch angeschaltet wird. 5. Zellenschalter mit Thyristoren nach Anspruch -.. oder 2, dadurch gekennzeiohnet, daß zum Zünden der den einzelnen Zellenabgriffen zuge- ordneten Thyristoren ein elektronischer Impulz,#gber verwendet wird, der :um Duschfahren e4.nea bestimmten Programms, beispielsweise die stufen- weis, 4rhöhung der Verbraucherspannung beim Anfahren einen Blektromotor$, über e-nentap:echsnde elektr^n',sohR Triggerschaltung programmiert wer- den kann. 6. Zellenschalter mit Thyristoren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß er verwendet wird, um Schwankungen der Spannung am Verbraucher, wie sie durch Laständerungen und die Charakteristik der Gleichstromquelle hervorgerufen werden, aufweinen Wert von der Größe der Zellenspannung zu begrenzen, wobei die Zündanschlüsse (Zn, Zn-l, Zn-2, ...) von einem Vorwärts-Rückwärts-Zähler (VRZ) angesteuert werden und die Vorwärtazählleitung (Vo) von einem Trigger (Tr) dann einen Impuls erhält, wenn die Spannung am Verbraucher kleiner als eine vorgegebene Vergleichsspannung (Uv) wird und die Rückwärtszählleitung (Rü) vom Trigger (Tr) dann einen Impuls erhält, wenn die Spannung am Verbraucher größer als die Summe von Vergleichsspannung (Uv) und Zellenspannung wird.