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Verfahren zur Wiederherstellung des Ladezustandes von Batterien, insbesondere
bei Fahrzeugen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiederherstellung des Ladezustandes
von Batterien, welche entweder zur Antrieb von Hilfsotoren dienen (Starterbatterien),
oder welche Fahrzeug= motore speisen, z.B. Antriebsmotore von Kraftwagen, Trieb=
wagen, Staplern usw.
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Bei derartigen Fahrzeugen ist entweder ein Ladegenerator vorhanden,
welcher von Fahrzeug angetrieben ist und die Batterie nachladet, oder wo der Fahrzeugmotor
selbst zul Nachladen vcrB wendet wird, sobald das Fahrzeug auf elektrisches Brennen
um= geschaltet ist (Nutzbremsung).
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In beiden Fällen ist die Nachladung unzureichend, sodass die Batterien
von Zeit zu Zeit gegen neugeladene ausgewechselt werden nüssen.
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Es ist Zweck der vorliegenden Erfindung, das Auswechseln von Batterien
zu vermeiden der wenigstens auf längere Zeitab= stände zu beschränken, was besonders
für elektrisch ange= triebene Fahrzeuge von grosser Bedeutung ist.
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Es wird ausserdem bezweckt, eine Vereinfachung und Verbilligung der
Nachladeausrüstungen herbeizuführen.
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Es ist bekannt, das Nachladen durch Gleichstrongenerateren vorzunehmen.
welche eine dem Ladezustand der Batterien ange passte Spannung hergeben. Diese Spannung
beträgt bei Bloi-Zellen je nach Ladezustand1 2,1 bis 2,4 V am Anfang und 2,4 bis
2,78 V am Ende der Ladung.(E.Witte Blei- und Stahl= skkuuulatoren Otto Krauskopf
Verlag, Seite 45 Abb. 20/2).
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Bei Stahlakkumulatoren beträgt diene Spannung 1,3 bis 1,68 V am Anfang
und 1,4 bis 1,9 V an Ende der Ladung (Witte Seite 92 ff).
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Es ist ferner bekannt, dass zur Wiederherstellung des Lade= zustandes
eine grössere Elektrizitätsmenge (Ladung) hineinge= schickt werden nuss, als vorher
entnommen wurde, und dass die Ladezeit stromabhängig ist. (Witte Seite 117).
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Auch bei der Nutzbreisung wird iit einer dem Ladezustand an= gepasster
Spannung gearbeitet, wobei höchstens 60 % der Brems= energi ausgenutzt werden kann(varta-spezialreport
November 1966 Abb. 9). Hierbei wird jetzt ieistens die sogenannte Im= pulssteuerung
verwendet, wobei die Regelung der Fahrgeschwin= digkeit durch elektrisch gesteuerte
Stromstösse erfolgt.
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In den Strompausen wird dann der Antriebsmotor durch eine sogenannte
Freilaufdiode kurzgeschlossen (Sonderdruck Schaltbau aus "fördern und heben" April
1963 Heft 4).
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Die Messnahmen zur Nachladung von Batterien gemäss dem Stand der Technik
müssen als unzureichend und aufwendig bezeichnet werden Es treten bei Fahrzeugen
Der einmalige oder mehrma= lige Stromstösse auf, welche ein sofortiges Absinken
der Lade spannung zur Folge haben. Innerhalb von Sekunden fällt die Spannung von
z.B. 2,23 V auf 1,87 V (Witte Seite 43 Abb. 18/2).
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Dieser Abfall ist bei Bleiakkumulatoren wahrscheinlich physikalisch
bedingt durch die Umsetzung der aktiven geladenen Masse in Bleisulfat, wobei eine
Vergrösserung des Volumens auftritt. Die Poren der aktiven Masse verstopfen sich,
und das Herausströmmen des bei der Entladung gebildeten Wassers und das Hineinströmmen
der spezifisch schwereren Säure wird er= schwert. Deshalb nimmt die Säuredichte
und damit auch die Spannung ab (Witte, Seite 36 ff).
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Bei Stahlakkumulatoren sind die Verhältnisse ähnlich(Witte, Seite
89 ff).
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Diese Erscheinung ist um se ausgeprägter, je schneller und je intensiver
die Umsetzung von Energie erfolgt,mit anderen Werten: Je kürzer die Stromstösse
bei der Entladung und je grösser die Ströme, desto schneller und gründlicher wird
der Anfangs-Lagezustand verschlechtert. Dieser Umstand hat ein Absinken des Entladestromes
zur Folge.Ein Startermotor z.B. braucht dann längere Zeit,um die erforderliche Drehzahl
zu erreichen.
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Ausserdem sinkt dann auch das abgegebene Drehmoment.Das hat weiter
zur Folge,dass die Batterie nach mehr "gequält " wird, und dass die Spannung nech
tiefer sinkt.
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Bei der Nutzbremsung treten ähnliche Verhältnisse auf. Der Bremsstrom
- Ladestrom - ist anfangs hoch und ven kurzer Dauer.Das Gleiche gilt für die Bremsspannung.Beide
Werte klingen dann schnell eb, und eine Sperrdiode ist erforderlich, um einen Batterie-Rückstrom
zu vermeiden.
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Nachteilig ist auch der Umstand,dass die im Motor aufgespeicherte
magnetische
Energie nicht ausgenutzt sondern durch die Freilaufdiode nutzlos entladen wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,den Anfangs-Ladezu= stand
der Batterie soweit aufrecht zu halten,dass mit praktich konstanter Spannung gearbeitet
werden kann, diese Aufgabe durch Ausrüstungen zu erfüllen, welche mit geringem Energiezusatz
arbeiten und diese einfacher und billiger zu gestalten ale es bei den gegenwärtig
bekannten Nachlade-Aus= führungen der Fall ist.
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Diese Aufgaben werden erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Nachladung
durch zwei oder mehrere Spannungsquellen er= felgt,welche unabhängig voneinander
geregelt werden, zwischen Null und einem Höchstwert pulsieren und asynchron und
in oder synchron Gegenschaltung arbeiten.
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Es ist zweckmässig,den Stromquellen eine steil abfallende Spannungs-Stromkennlinie
zu geben,dass wenigstens eine Stromquelle dauernd eingeschaltet ist und mit geringem
Strom arbeitet, während die andere oder die anderen Stromquellen nur zeitweilig
stossweise und mit höchstem Strom arbeiten.
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Ferner ist es zweckmässig,die Arbeitsspannung so zu legen, dass Gasentwicklung
gerade begonnen hat.
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Dei mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen lnsbe= sondere darin,
dass die Batterien nur noch bei speziellen Beanspruchungen, z.B. Kurzschluss ausgewechselt
zu werden brauchen, dass der Fahrtbereich bei Elektrofahrzeugen wesent= lich grösser
ausfällt und dass die erforderlichen Ausrüstungen für das Laden und Regeln bedeutend
einfacher werden als es gegenwärtig geaiäss dem Stande der Technik der Fall ist.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt
und wird in felgebdeb näher beschrieben.
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Es zeigen: Fig 1 Schaltbild eines Elektroantriebes Fig 2 Wellendiagramm
des Einweggleichrichters Pig 3 Impulssteuerung für das Feld eines Lade= generators.
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Der Elektroantrieb gemäss Fig 1 besteht aus folgenden Haupt= gruppen:
a)
Batterie mit Entladewiderstand,Kondensator,Diode, Drehtransformator mit grosser
Streuung, Wechsel= stromgenerator, Antriebsmotor (11, 12, 10, 7, 4, 5,6) b) Elektromotor,
bestehend aus Anker, Reihenschluss= wicklung, Nebenschlusswicklung, Entladewiderstand,
Kondensator, Diode, Drehtransformator mit grosser Streuung.(18, 17, 16, 15, 9, 8,
1,),hierzu Drossel (19) c) Apparatur, bestehend aus Fahrtdruckknopf mit zugehö=
rigem Schütz, Bremsdruckknopf, welcher mit Drehtrans= formator mechanisch verbunden
ist,zugehöriges Brems= schütz,Dioden (3, 14, 2, 20, 13 ) Wirkungsweise: Der Wechselstromgenerator
erzeugt dauernd eine Spannung vom erfahrungsgemäss 4-fachen Wert der Batteriespannung.
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Die am Kondensator auftretende Ladespannung hat den i Fig 2 gezeigten
Verlauf.Durch geeignete Wahl von Kondensatorgrösse und Entladeresistanz kan der
gewünschte Verlauf der Neigung (a) erhalten werden,wobei er Mittelwert der Spannung
von der Transformatorstreuung abhängig ist. Es ist auch Möglich, eine Lücke zu erzeugen,sodass
die Spannung zeitweilig Null ist (b).
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Dieser pulsierende Gleichstrom in der Höhe von einigen Prozent des
Entladestromes erzeugt ein Umrühren des Elektrolytes und dadurch seine Eückbildung
in den Ursprungszustand.
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Es ist hierbei zweckmässig, die Frequenz des Wechselstromes an die
statische Kapazitet der Batterie und des R-C-Kreises anzupassen, was durch Wahl
der Hilfsmotor-Drehzahl möglich ist.
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Die nicht geglätete Wellenform des pulsierenden Gleichstrones hat
auch den Vorteil, dass gegengerichtete Stromimpulse in das Wechselstrom-Hilfsnetz
eindringen können.Hierdureh wird der Bedarf an Zusatzenergie verringert.
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Zum Anfahren des Hauptmotors (16-19) wird das Fahrschütz (14) eingeschaltet.Der
Einschalt-Stromstoss wird durch die in Reihe mit dem Anker liegende Drossel (19)
gemildert.
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Der Elektromotor arbeitet zunächst als Verbundmotor, und die Drehzahl
wird durch Feldschwächung erhöht bezw. geregelt.
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(1, 8, 9, 15, 16.) . Nach dem Zurückdrehen des Drehtransforma= tors
(1) auf Spannung Null läuft der Motor als Reihenschluss-Motor weiter.
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Zum Bremsen wird das Bremsschütz (20) eingeschaltet.Gleich= zeitig
wird der Nebenschlusswicklung (16) Spannung zugeführt.
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Bremsspannung und Bremsstrom entstehem unmittelbar.Diese Ansprechzeit
kann noch dadurch verkürzt werden, dass man als Leerlaufspannung des nunnehr als
Generator arbeitenden Motors einen hohen Wert wählt,z.B das Vierfache der Batteriespannung.
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Der erforderliche steile Abfall der Strom-Spannungs-Kennlinie wird
sowohl durch die Drossel als auch durch das schnelle Ab= sinken der Drehzahl beim
Bremsen erzeugt.Auch hilft hier die bei grossem Hauptstrom wirkende Ankerrückwirkung
mit.
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Beim Unterschreiten der Generatorspannung wird die Sperr= diode (13)
wirksam,welche einen eventuellen Rückstrom ver= hindert.
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Die Regelung des Feldes kann auch durch eine Impulssteuerung gemäss
Fig 3 erfolgen,wobei die Stromstösse synchroniesiert werden können.
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Die Diode (8) wird jetzt durch einen Thyristor ersetzt.
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Dieser kan in bekannter Weise gesteuert werden.Durch einen Drehwiderstand
(28) wird die Aufladezeit des Kondensators (30) - Pausenzeit - bestimmt. Sobald
die Kondensatorspannung einen gewissen Wert erreicht hat, wird der untere Teil des
Doppel= bastramsistors (29) leitend.Am Widerstand (31) entsteht ein Potential, gross
genug, um den Thyristor leitend zu sachen.
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Die Synchronisierung der Thyristorzündung erfolgt in bekannter Weise
durch Zehnerdiode (25),welche ,durch Vorwiderstand (24) geschützt,die Höhe der Gleichspannung
begrenzt. (Erzeugung der Gleichspannung durch Einweggleiehriehter - Diode (21),
Kondensator (22),Entladewiderstand (23) -.
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Der Doppelbastransistor ist durch den Vorwiderstand (26) geschützt.Der
Bereich der Regelung (Regeiwiderstand 28) kann duech Austausch des Festwiderstandes
(27) erfolgen.-Die Nachladung von Hilfabatterien (Starterbattorion) kann sinngemäss
in der gleichen Weise erfolgen.
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Dauerladung mit Hilfe der in Fig 3 gezeigten Ausrüstung, wobei die
erforderliche Wechselspannung dem Ladegenerator entnommen wird. Es besteht auch
die Möglichkeit, einen Schwingungskreis bekannter Ausführung zu benutzen.(SCR manual
General Electric 1964 Seite 61 Fig 4.21) Die Stoseladung erfolgt sinngemäss in der
gleichen Weise wie beim Elektroantrieb (durch Bremsen), Jedooh wird die Zeitdauer
durch einen an sich bekannten TC Kreis sit Doppelbastransistor eingestellt.(SCR
manual Seite 56 Fig 4.18).In allen Fallen kann die Frequenz geregelt werdem.-