DE19706058A1

DE19706058A1 - Batterieladeschaltung

Info

Publication number: DE19706058A1
Application number: DE1997106058
Authority: DE
Inventors: Goesta Baarman; Eero Sirola
Original assignee: Nokia Telecommunications Oy
Current assignee: Nokia Oyj
Priority date: 1996-02-08
Filing date: 1997-02-05
Publication date: 1997-08-14
Also published as: FI960591A0; GB9702282D0; FI960591A; GB2310089A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Batterieladeschaltung, die eine Kraftquelle, deren Ausgangsspannung auf ein einem Steuereingang der Kraftquelle zuzuführendes Steuersignal anspricht, eine an den Ausgang der Kraftquelle geschaltete elektrische Ausrüstung, für die die Kraftquelle Be triebsspannung erzeugt, und eine mit der erwähnten elektrischen Ausrüstung parallelgeschaltete Batterie aufweist, die von der Kraftquelle geladen wird.

Unter dem Begriff elektrische Ausrüstung wird in dieser Anmeldung allgemein jede beliebige Ladung verstanden, der die Kraftquelle Be triebsspannung zuführt. Die Erfindung bezieht sich besonders auf Regelung des Ladestroms der Batterien von Datenübertragungsgeräten, obgleich die er findungsgemäße Ladeschaltung auch in anderen Zusammenhängen verwen det werden kann.

Eine Voraussetzung zum Schaffen einer ökonomisch vorteilhaften Ladeschaltung ist, daß eine Batterie mit derselben Kraftquelle geladen werden kann, die zum Erzeugen von Betriebsspannung für die eigentliche elektrische Ausrüstung, d. h. Ladung, benutzt wird, ein Problem der meisten bekannten Batterieladeschaltungen ist ausdrücklich, daß darin eine separate Kraftquelle zum Laden der Batterie vorgesehen ist, wodurch der Preis der Batterie ladeschaltung bemerkenswert steigt. Vorher wurden Batterien kleinerer Re servesysteme direkt mit der Ladung parallelgeschaltet, wobei sie mit dersel ben Kraftquelle geladen werden können, die der Ladung Betriebsspannung zuführt. Eine direkte Schaltung ist jedoch schädlich für die Batterie, weil darin gar keine Beschränkung des Ladestroms vorgesehen ist. Dabei kann der Ladestrom, mit dem die Batterie gespeist werden soll, sehr hoch steigen, sogar so hoch, daß er die Batterie beständig beschädigt.

Dazu ist es vorbekannt, Linearregler zum Laden einer mit der Ladung parallelgeschalteten Batterie zu benutzen. Bei Linearreglern liegt je doch das Problem in deren schwachem Wirkungsgrad, das zunächst auf die Wärmeverluste zurückzuführen ist, die entstehen, wenn der Linearregler die Betriebsspannung auf einen Bereich senkt, der zum Laden der Batterie geeignet ist.

Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das obige Problem zu lösen und eine Batterieladeschaltung zustandezubringen, die preiswert ist und mittels deren eine Batterie schnell und kontrolliert geladen werden kann. Diese Aufgabe wird mit Hilfe der erfindungsgemäßen Ladeschaltung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Schaltung einen ersten Differenzver stärker aufweist, und zwar zum Vergleichen eines der Batterie zuzuführenden Stroms mit einem ersten Referenzwert und zum Erzeugen eines die Aus gangsspannung der Kraftquelle senkenden Steuersignals und zum Zuführen dieses Signals dem Steuereingang der Kraftquelle, wenn der der Batterie zuzuführende Strom den erwähnten, ersten Referenzwert überschreitet.

Die Erfindung basiert auf der Idee, daß wenn bei einer mit einem elektrischen Gerät parallelgeschalteten Batterie ein Differenzverstärker aus genutzt wird, der die Stärke des der Batterie zuzuführenden Stroms kon tinuierlich überwacht und dem Steuereingang der Kraftquelle ein die Aus gangsspannung der Kraftquelle senkendes Steuersignal zuführt, wenn die Stärke des der Batterie zuzuführenden Stroms einen vorbestimmten Maxi malwert erreicht, eine sehr einfache und billige Ladeschaltung zustandege bracht wird, mittels deren die Stärke des der Batterie zuzuführenden Stroms auf einem geeigneten Pegel bleibt, unabhängig von den Variationen, die von der Ladung, d. h. dem elektrischen Gerät, veranlaßt werden. Die bedeutend sten Vorteile der erfindungsgemäßen Ladeschaltung bestehen somit darin, daß die Stärke des der Batterie zuzuführenden Stroms auf einen solchen Pegel beschränkt werden kann, wo sie die Batterie sicher nicht beschädigt, wodurch die Betriebsdauer der Batterie sich verlängert, daß die Ladeschaltung mit sehr einfachen, kleinen und preiswerten Komponenten zustandegebracht wird, wobei die Batterieladeschaltung klein und billig wird, und daß das Wirkungsgrad der Ladeschaltung gut ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ladeschaltung weist die Schaltung einen zweiten Differenzverstärker auf, und zwar zum Vergleichen der Batteriespannung mit einem zweiten Referenzwert und zum Erzeugen eines die Ausgangsspannung der Kraftquelle senkenden Steuersignals und zum Zuführen dieses Signals dem Steuereingang der Kraftquelle, wenn die Batteriespannung den zweiten Referenzwert erreicht. Dabei kann eine Überladung der Batterie vermeidet werden, weil der zweite Differenzverstärker die Batteriespannung kontinuierlich überwacht und die Ladung der Batterie durch Senken der Ausgangsspannung der Kraftquelle unterbricht, nachdem die Batteriespannung eine dafür bestimmte obere Grenze erreicht hat, d. h. wenn die Batterie völlig geladen ist.

Die bevorzugten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ladeschaltung gehen aus den beigefügten, abhängigen Patentansprüchen 2 bis 6 hervor.

Im folgenden wird die Erfindung exemplifikatorisch mit Hilfe einer erfindungsgemäßen, vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste, bevorzugte Ausführungsform einer erfindungs gemäßen Ladeschaltung, und

Fig. 2 in der Schaltung der Fig. 1 vorkommende Ströme.

Fig. 1 veranschaulicht eine erste, bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ladeschaltung. Fig. 1 zeigt eine elektrische Aus rüstung 1, die ihre Betriebsspannung aus einem Wechselstrom/Gleichstrom (AC/DC)-Schaltnetzteil 2 erhält. Im Fall der Fig. 1 wird exemplifikatorisch angenommen, daß der Schaltnetzteil 2 ein Pulsbreitenmodulation aus nutzender Schaltnetzteil ist, dessen Eingangsspannung beispielsweise 220 VAC und Nennausgangsspannung beispielsweise 48 VDC sein kann. Bei der erfindungsgemäßen Ladeschaltung kann jedoch jede beliebige Kraftquelle ausgenutzt werden, deren Ausgangsspannung mit Hilfe eines der Kraftquelle zuzuführenden Steuersignals geändert werden kann.

Mit der elektrischen Ausrüstung 1 ist eine Batterie 3 parallel geschaltet, die zum Beispiel eine an sich bekannte Bleibatterie sein kann, deren Spannung einen Nennwert von zum Beispiel 48 V hat. Die Kraftquelle 2 ladet somit die Batterie 3, während sie der elektrischen Ausrüstung Be triebsspannung zuführt. Wenn die Betriebsspannung aus irgendeinem Grund, beispielsweise infolge einer Stromunterbrechung, aus der Kraftquelle 2 verschwindet, beginnt die Batterie 3 sich so zu entladen, daß sie der elektri schen Ausrüstung 1 Betriebsspannung zuführt. Nach der Stromunterbrechung versieht die Kraftquelle 2 die Batterie 3 wieder mit voller Ladung.

Damit der der Batterie zuzuführende Strom Ia nicht zu hoch an steigt, weist die Ladeschaltung der Fig. 1 Mittel zum Senken der Aus gangsspannung der Kraftquelle 2 auf, wenn der Strom Ia einen dafür be stimmten Maximalwert Imax erreicht. Dies erfolgt so, daß der der Batterie 3 zuzuführende Strom Ia mit einem Widerstand R1 oder zum Beispiel einem Hall-Bauelement gemessen wird. Ein gemessenes Spannungssignal wird über einen Widerstand R2 zu einem ersten Eingang 5 eines mit einem Kondensator C1 parallelgeschalteten Differenzverstärkers 4 geleitet. Zu einem zweiten Ein gang 6 des Differenzverstärkers 4 wird eine Referenzspannung geleitet, die aus einem Regelorgan P1 erhalten wird, das zum Beispiel ein Potentiometer sein kann, mit dem eine Zener-Diode D1 parallelgeschaltet ist. Mit Hilfe des Potentiometers D1 kann der Anwender einen von ihm gewünschten Maxi malwert Imax, zum Beispiel 1 A, für den der Batterie 3 zuzuführenden Strom Ia bestimmen. Wenn der Differenzverstärker 4 bemerkt, daß die Spannung des seinem ersten Eingang 5 zugeführten Signals dieselbe wie oder höher als die seinem zweiten Eingang 6 zugeführte Referenzspannung ist, führt er dank einer Diode D2 und eines Widerstands R4 einem Steuereingang 10 der Kraftquelle 2 ein Steuersignal zu, das die Kraftquelle veranlaßt, ihre Aus gangsspannung auf einen solchen Pegel zu senken, daß der der Batterie zuzuführende Strom Ia wieder den Maximalwert Imax unterschreitet. An den einen Anschluß der Widerstände R3 und R4 kann zum Beispiel eine Span nung von +10 bis +12 V geschaltet sein.

Wenn die Kraftquelle 2 ein Pulsbreitenmodulation ausnutzender Schaltnetzteil ist, steuert das von dem Differenzverstärker 4 zugeführte Steuersignal vorzugsweise einen Pulsbreitenmodulator der Kraftquelle. Durch die Batterie fließt somit der Strom Ia, der kontinuierlich niedriger ist als der Maximalwert Imax, während ein durch die elektrische Ausrüstung 1 fließender Strom Ik von 0 A zu dem größten möglichen Ausgangsstrom der Kraftquelle variieren kann.

Die Ladeschaltung der Fig. 1 weist dazu Mittel zum Überwachen der Batteriespannung auf. Wenn die Batterie 3 beinahe vollgeladen ist, steigt die Batteriespannung über deren Nennwert (bei 48 V Bleibatterie etwa 53 . . . 54 V), wobei die Ladung abgeschaltet wird. Um dies zu schaffen, weist die Ladeschaltung Widerstände R5 und R6, einen Kondensator C2 und einen zweiten Differenzverstärker 7 auf, dessen erstem Eingang 8 ein Signal zuge führt wird, das die gegenwärtige Spannung der Batterie 3 darstellt. Dazu weist die Ladeschaltung ein zweites Regelorgan P2 auf, d. h. beispielsweise ein Potentiometer, mittels dessen der Anwender einen Maximalwert Umax für die Batteriespannung Ua bestimmen kann. Aus dem Potentiometer P2 wird somit Referenzspannung zu einem zweiten Eingang 9 des zweiten Differenzver stärkers geleitet.

Wenn die dem ersten Eingang 8 des Differenzverstärkers zuzuführende Spannung höher ist als die dem zweiten Eingang 9 zuzuführende Referenzspannung, überschreitet die Batteriespannung Ua die dafür bestimmte höchste zulässige Spannung Umax. Dann wird von dem Dif ferenzverstärker 7 ein Steuersignal über eine Diode D3 dem Steuereingang 10 der Kraftquelle 2 zugeführt. Dieses Steuersignal veranlaßt die Kraftquelle, die Ausgangsspannung auf einen solchen Pegel zu senken, daß der der Batterie 3 zuzuführende Strom fast ganz verschwindet (vergleiche Fig. 2).

Wenn die Batterie 3 völlig entladen ist und ihre Spannung schnell erhöht werden soll, kann die Ladeschaltung einen dritten Differenzverstärker und Mittel zum Bestimmen eines zweiten, größten zulässigen, der Batterie zuzuführenden Stroms aufweisen. Somit kann der Ladestrom beispielsweise doppelt sein, wenn die Batteriespannung sehr niedrig ist. Wenn die Batte riespannung danach zum Beispiel 80% der Nennspannung erreicht, sinkt der Ladestrom unter der Einwirkung des zweiten Differenzverstärkers auf den Nennwert.

In Fig. 1 werden mit gebrochenen Linien die Teile bezeichnet, die erfindungsgemäß zusammen mit der Kraftquelle vorteilhaft zu integrieren und einzukapseln sind. Durch Integrierung der bezüglichen Teile wird eine kom pakte und effiziente Kraftquelle zustandegebracht, in der die erfindungs gemäße Ladeschaltung eingeschlossen ist.

Fig. 2 veranschaulicht bei der Schaltung der Fig. 1 vorkommende Ströme. Eine Vertikalachse I in Fig. 2 stellt die Stromstärke und eine Hori zontalachse entsprechend die Zeit t dar.

Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß der der Batterie zuzuführende Strom Ia nach Beginn der Batterieladung konstant bleibt, unabhängig von Varia tionen in dem der elektrischen Ausrüstung zuzuführenden Strom Ik. Die Stärke des von der Kraftquelle zugeführten Gesamtstroms Itot entspricht wiederum der Summe der Ströme Ia und Ik. Die Stärke des der Batterie zuzuführenden Stroms Ia entspricht dem von dem Anwender bestimmten Maximalstrom Imax, der im Fall der Fig. 2 exemplifikatorisch 1 A ist.

Wenn die Ladung der Batterie so weit gekommen ist, daß die Bat teriespannung Ua die dafür bestimmte Maximalspannung Umax (vertikale Linie in Fig. 2) erreicht, wird der zweite Differenzverstärker der Ladeschal tung aktiviert, wobei die von der Kraftquelle zugeführte Ausgangsspannung auf einen solchen Pegel sinkt, daß der der Batterie zuzuführende Strom Ia fast auf Null fällt.

Es ist verständlich, daß die obige Beschreibung und die Figuren im Anschluß daran nur zur Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung beab sichtigt sind. Dem Fachmann werden verschiedene Variationen und Modifika tionen der Erfindung offenbar sein, ohne daß aus dem Schutzumfang und der Wesensart der in den beigefügten Patentansprüchen beschriebenen Erfindung abgewichen wird.

Claims

1. Batterieladeschaltung, die
eine Kraftquelle (2), deren Ausgangsspannung auf ein einem Steuereingang (10) der Kraftquelle zuzuführendes Steuersignal anspricht,
eine an den Ausgang der Kraftquelle geschaltete elektrische Aus rüstung (1), für die die Kraftquelle (2) Betriebsspannung erzeugt, und
eine mit der erwähnten elektrischen Ausrüstung (1) parallel geschaltete Batterie (3) aufweist, die von der Kraftquelle (2) geladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung einen ersten Diffe renzverstärker (4) aufweist, und zwar zum Vergleichen eines der Batterie zuzuführenden Stroms (Ia) mit einem ersten Referenzwert (Imax) und zum Erzeugen eines die Ausgangsspannung der Kraftquelle (2) senkenden Steuersignals und zum Zuführen dieses Signals dem Steuereingang (10) der Kraftquelle, wenn der der Batterie zuzuführende Strom (Ia) den erwähnten, ersten Referenzwert (Imax) überschreitet.

2. Ladeschaltung nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schaltung einen zweiten Differenzverstärker (7) auf weist, und zwar zum Vergleichen der Spannung der Batterie (3) mit einem zweiten Referenzwert (Umax) und zum Erzeugen eines die Ausgangsspan nung der Kraftquelle (2) senkenden Steuersignals und zum Zuführen dieses Signals dem Steuereingang (10) der Kraftquelle, wenn die Spannung der Batterie (3) den zweiten Referenzwert (Umax) erreicht.

3. Ladeschaltung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schaltung Mittel (R1, R2, C1) zum Erzeugen eines auf den der Batterie zuzuführenden Strom (Ia) ansprechenden Signals und zum Zuführen dieses Signals einem ersten Eingang (5) des ersten Dif ferenzverstärkers (4) sowie Mittel (R3, D1, P1) zum Erzeugen eines den ersten Referenzwert darstellenden Signals und zum Zuführen dieses Signals einem zweiten Eingang (6) des ersten Differenzverstärkers (4) aufweist, wobei der erste Differenzverstärker (4) angeordnet ist, ein die Ausgangsspannung der Kraftquelle (2) senkendes Steuersignal zu erzeugen und dieses Signal dem Steuereingang (10) der Kraftquelle zuzuführen, wenn der Span nungspegel des seinem ersten Eingang (5) zuzuführenden Signals derselbe wie oder höher als der Spannungspegel des seinem zweiten Eingang (6) zuzuführenden Signals ist.

4. Ladeschaltung nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die Schaltung Mittel (R5, R6, C2) zum Zuführen eines auf die Spannung der Batterie (3) ansprechenden Signals einem ersten Eingang (8) des zweiten Differenzverstärkers (7) und Mittel (D1, R3, P2) zum Erzeugen eines den zweiten Referenzwert darstellenden Signals und zum Zuführen dieses Signals einem zweiten Eingang (9) des zweiten Differenzver stärkers (7) aufweist, wobei der zweite Differenzverstärker (7) angeordnet ist, ein die Ausgangsspannung der Kraftquelle senkendes Steuersignal zu erzeugen und dieses Signal dem Steuereingang (10) der Kraftquelle (2) zuzuführen, wenn der Spannungspegel des seinem ersten Eingang (8) zuzuführenden Signals derselbe wie oder höher als der Spannungspegel des seinem zweiten Eingang (9) zuzuführenden Signals ist.

5. Ladeschaltung nach Patentanspruch 3 oder 4, dadurch ge kennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen des den ersten und ent sprechend den zweiten Referenzwert darstellenden Signals ein erstes und zweites Regelorgan (P1, P2) aufweisen, die vorzugsweise Potentiometer oder dergleichen sind und deren Lage den ersten Referenzwert (Imax), d. h. den höchsten möglichen, der Batterie zuzuführenden Strom, und entsprechend den zweiten Referenzwert (Umax), d. h. die höchste mögliche Spannung der Batterie, bestimmt.

6. Ladeschaltung nach Patentanspruch 1, dadurch gekenn kennzeichnet, daß die erwähnte Kraftquelle (2) ein Schaltnetzteil ist, der Mittel zur Regelung der Ausgangsspannung der Kraftquelle durch Aus nutzung von Pulsbreitenmodulation auf den Spannungspegel eines dem Steuereingang (10) der Kraftquelle zuzuführenden Signals aufweist.