DE19753210A1 - Wiederaufladbare elektrische Stromquelle - Google Patents
Wiederaufladbare elektrische StromquelleInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine wiederaufladbare elektrische
Stromquelle. Insbesondere betrifft die Erfindung eine wie
deraufladbare elektrische Stromquelle, die aus mehreren, in
Reihe geschalteten Sekundärelementen gebildet ist. Sekundä
relemente im Sinne der vorliegenden Erfindung sind sowohl
herkömmliche Akkumulatoren (Blei-Akkumulatoren, NiCd-,
Lithium-Ionen Akku etc.), als auch sogenannte UltraCaps,
also Kondensatoren mit einer extrem hohen Kapazität bei äu
ßerst kleinem Bauvolumen.
Im Stand der Technik werden in Reihe geschaltete Sekundäre
lemente (z. B. herkömmliche Bleiakkumulatoren in Kraftfahr
zeugen) mit einem Ladestrom geladen, der für alle Akku-Ele
mente gleich ist, da die einzelne Elemente in Reihe ge
schaltet sind. Gemäß einer Weiterentwicklung dieser übli
chen Technik ist es bekannt, parallel zu jedem der Akku-Ele
mente einen Spannungssensor anzuordnen, der beim Errei
chen einer für das jeweilige Akku-Element maximalen Lade
spannung ein Signal erzeugt, mit dem ein (elektronischer)
Schalter geschlossen wird, der einen ggf. auch elektronisch
steuerbaren Widerstand zu dem jeweiligen Akku-Element par
allel schaltet (Siehe Fig. 1). Nachteilig bei dieser Lösung
ist, daß der Wirkungsgrad sehr schlecht ist, da ein erheb
licher Teil des Gesamt-Ladestroms in Wärme in den jeweili
gen Parallel-Widerständen (Bypass) umgesetzt wird. Außerdem
ist der Sensoraufwand erheblich.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, eine wiederaufladbare elektrische
Stromquelle bereitzustellen, die eine schnelle und über
spannungssichere Aufladung einer aus mehreren, in Reihe ge
schalteten Sekundärelementen gebildeten Stromquelle er
laubt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist gemäß der Erfindung jedem der
Sekundärelemente der Stromquelle eine Ladeschaltung zuge
ordnet, die einen Gleichrichter, dessen Ausgangsanschlüsse
mit den Polen eines Sekundärelementes verbunden sind, und
eine Wechselspannung übertragende Potentialtrenneinrichtung
aufweist, deren Ausgangsanschlüsse mit Eingangsanschlüssen
des Gleichrichters verbunden sind, und deren Eingangsan
schlüsse mit einer Wechselspannungsquelle verbunden sind.
Diese Anordnung erlaubt eine besonders einfache, schnelle
und effiziente Aufladung der Stromquelle, da jedes Sekundä
relement unabhängig von den anderen mit dem jeweils maximal
möglichen Ladestrom gespeist werden kann. Das Vorbeileiten
des Ladestroms an bereits vollständig geladenen Sekundäre
lementen entfällt hier. Außerdem entfällt die für jedes der
Sekundärelemente erforderliche Spannungsüberwachungsschal
tung.
Insbesondere, wenn die Sekundärelemente durch UltraCaps ge
bildet sind, kann die vorliegende Erfindung mit großem Vor
teil eingesetzt werden. Dies liegt daran, daß UltraCaps be
sonders überspannungsempfindlich sind. Da gemäß der vorlie
genden Erfindung jedes Element einzeln geladen wird, kann
das Auftreten einer Überspannung wirksam verhindert werden.
Um nennenswerte Spannungsabfälle in der Ladeschaltung zu
vermeiden, ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
der Gleichrichter als Mittelpunkt-(Gleichrichter-)schaltung
mit Schottkydioden ausgestaltet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der
Gleichrichter auch als gesteuerter Synchrongleichrichter
mit MOSFETs ausgestaltet sein.
Um die Ansteuerung eines derartigen Gleichrichters beson
ders einfach zu gestalten, ist dieser vorzugsweise durch
Signale aus der Wechselspannung übertragenden Poten
tialtrenneinrichtung gesteuert.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung dieser Ausführungs
form der Erfindung sieht vor, daß die Wechselspannung über
tragende Potentialtrenneinrichtung ein Transformator ist,
der zur Übertragung von mittelfrequenter Wechselspannung
(500 Hz bis 500 kHz) eingerichtet ist. Diese Anordnung er
möglicht eine besonders verlustarme Speisung der einzelnen
Sekundärelemente beim Ladevorgang.
Bevorzugt werden die Steuersignale mittels einer Hilfswick
lung (auf der Sekundärseite) des Transformators erzeugt.
Um die Ladeschaltungen der einzelnen Sekundärelemente be
sonders effizient speisen zu können, ist vorzugsweise die
Wechselspannungsquelle ein Wechselrichter, der aus einer
Gleichspannung eine mittelfrequente Wechselspannung er
zeugt.
Eine derartige Wechselspannungsquelle kann auch auf beson
ders einfache Weise dazu eingerichtet werden, eine Wech
selspannung mit einer Spannungssignalform zu liefern, die
proportional zu dem Integral der erforderlichen Ladestrom
signalform ist. Damit kann durch eine Vorgabe des Verlaufs
der Ausgangsspannung des Wechselrichters der Verlauf des
Ladestroms für die einzelnen Sekundärelemente bestimmt wer
den, ohne daß eine Überladung (durch Überspannung) oder
Überlastung (durch Überstrom) einzelner Sekundärelemente
auftreten kann, obwohl an den einzelnen Sekundärelementen
keine Strom- oder Spannungsmessung oder -überwachung vor
gesehen ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die
jedem Sekundärelement zugeordneten Ladeschaltungen mit ei
nen Gleichrichter und einer Wechselspannung übertragenden
Potentialtrenneinrichtung auf wenigstens einer Platine an
geordnet, wobei alle Ladeschaltungen mit einer gemeinsamen
Wechselspannungsquelle verbunden sind. Dies erleichtert die
Montage der Sekundärelemente zu einer gemeinsamen Strom
quelle erheblich, da die Platine für die Ladeschaltungen
gleichzeitig als Träger oder mechanische Fixierung für die
einzelnen Sekundärelemente dient.
Weitere Vorteile, Merkmale, Abwandlungsmöglichkeiten oder
Alternativen werden anhand der nachstehenden detaillierten
Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen der Er
findung deutlich.
Fig. 1 zeigt eine Stromquelle mit Spannungssensoren für je
des der Sekundärelemente gemäß dem Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer Stromquelle
gemäß der Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform einer Stromquelle
gemäß der Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung einer Strom
quelle gemäß der Erfindung.
Die in Fig. 2 gezeigte wiederaufladbare elektrische Strom
quelle weist mehrere, in Reihe geschaltete Sekundärelemente
10, 12, 14, 16 auf. Dabei versteht sich, daß die Erfindung
nicht auf diese Anzahl von Sekundärelementen beschränkt
ist. Jedem der Sekundärelemente 10, 12, 14, 16 ist eine La
deschaltung 20 zugeordnet, die einen Gleichrichter 22 und
eine eine Wechselspannung übertragende Potentialtrennein
richtung in Form eines Transformators 24 aufweist. Der
Gleichrichter 22 weist Ausgangsanschlüsse 26, 28 auf, die
mit den Polen +, - eines Sekundärelementes 10 verbunden
sind. Weiterhin weist der Gleichrichter 22 Eingangsan
schlüsse 32, 34, 36 auf, die mit Ausgangsanschlüssen des
Transformators 24 verbunden sind. Die Eingangsanschlüsse
38, 40 sind mit einer Wechselspannungsquelle in Form eines
Wechselrichters 42 verbunden.
Die Sekundärelemente sind durch UltraCaps gebildet. Außer
dem ist der Gleichrichter 22 als Mittelpunktschaltung mit
Schottkydioden ausgestaltet. Dies hat den Vorteil, daß die
Ausgangsspannung nur jeweils um den Spannungsabfall an ei
ner Diodenstrecke vermindert ist, obwohl die Welligkeit der
Ausgangsspannung kleiner ist als bei der Einweg-Gleich
richtung. Dies setzt allerdings voraus, daß der Transforma
tor 24 auf der Sekundärseite einem Mittelabriff aufweist,
der mit dm Eingangsanschluß 36 des Gleichrichters 22 ver
bunden ist. Alternativ dazu kann auch eine Brückenschaltung
für den Gleichrichter 22 verwendet werden, wenn der Span
nungsabfall keine so große Rolle spielt.
Der Transformator 24 ist zur Übertragung von mittelfrequen
ter Wechselspannung (500 Hz bis 500 kHz, vorzugsweise 100
kHz und mehr) eingerichtet. Dies stellt einen hohen Wir
kungsgrad sicher.
Der Wechselrichter liefert eine Wechselspannung mit einer
in der Regel rechteckförmigen Spannungssignalform. Dabei
ist das Integral der Spannung über die Zeit (sog. "Span
nungszeitfläche"), das die Höhe des Sekundär-Gleich
spannungsmittelwertes bestimmt, proportional zu dem Inte
gral der erforderlichen Ladestromsignalform. Wenn (z. B. für
Kapazitäten, also UltraCaps) die einzelnen Sekundärelemente
mit einem konstanten Ladestrom geladen werden sollen, muß
der Wechselrichter z. B. über die Pulsbreite entsprechend
einer sägezahnförmigen Spannung gesteuert werden. Es sind
jedoch auch andere Ladestromverläufe möglich.
In Fig. 2 ist der Übersichtlichkeit halber nur die Lade
schaltung 20 gezeigt, welche das Sekundärelement 10 speist.
Bei einer vollständig beschalteten Stromquelle wird jedes
der Sekundärelemente durch eine Ladeschaltung 20 gespeist.
Der Wechselrichter 42 kann jedoch die Ladeschaltungen 20
aller Sekundärelemente gemeinsam speisen.
Die Ladeschaltungen (und der Wechselrichter) können auf ei
ner einzigen Platine angeordnet sein, wobei alle Ladeschal
tungen mit dem gemeinsamen Wechselrichter als Wechselspan
nungsquelle verbunden sind.
Die in Fig. 3 gezeigte wiederaufladbare elektrische Strom
quelle unterscheidet sich von der nach Fig. 2 insofern, als
der Gleichrichter als gesteuerter Synchrongleichrichter mit
MOSFETs 50, 52 ausgestaltet ist. Zur Ansteuerung dieser
Gleichrichterschaltung können Steuersignale aus dem Trans
formator dienen, der für die Ansteuerung jedes der MOSFETs
50, 52 mit jeweils einer Hilfswicklung 58, 60 ausgestattet
ist. Alternativ dazu können die Steuersignale auch aus ei
ner elektronischen Ansteuerschaltung geliefert werden.
Um den von dem Synchrongleichrichter gelieferten pulsieren
den Gleich-Spannungsverlauf zu glätten ist eine Drosselspu
le 62 am Ausgang des Synchrongleichrichters vorgesehen.
Im übrigen unterscheiden sich die Ausführungsformen gemäß
Fig. 2 und Fig. 3 nicht.
In Fig. 4 ist eine Schaltung gezeigt, mit der auf einfache
Weise die Funktionstüchtigkeit und der Ladevorgang aller in
Reihe geschalteten Sekundärelemente überprüft werden kann.
Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Ladeschaltung
(gemäß Fig. 3) weggelassen. Dabei liegt dieser Schaltung
der grundlegende Gedanke zugrunde, daß ein Sekundärelement,
das gerade überladen wird, oder an dem eine Überspannung
anliegt, Wärme entwickelt.
Daher ist in thermischem Kontakt mit jedem der Sekundärele
mente ein temperaturempfindliches elektrisches Bauteil an
geordnet, dessen elektrische Eigenschaften auf Veränderun
gen hin überwacht werden. Vorzugsweise ist die Anordnung so
getroffen, daß bei jedem der Sekundärelemente ein Heißlei
ter angeordnet ist, und alle Heißleiter sind in Reihe ge
schaltet, um den Überwachungsaufwand so gering wie möglich
zu halten.
Wenn einer der Heißleiter anspricht, ändert sich der Wider
stand der gesamten Reihenschaltung, so daß dies ausgewertet
und als Abschalt-, Alarm- oder sonstiges Steuersignal her
angezogen werden kann.
Alternativ dazu ist es auch möglich, daß bei jedem der Se
kundärelemente ein Kaltleiter angeordnet ist, und alle
Kaltleiter sind parallel geschaltet, um den Überwachungs
aufwand so gering wie möglich zu halten. Wenn einer der
Kaltleiter anspricht, ändert sich der Widerstand der gesam
ten Parallelschaltung, so daß auch dies ausgewertet werden
kann.
Anstelle eines thermischen Kontaktes kann auch ein elektri
scher Kontakt zwischen dem Bauteil und dem jeweiligen Se
kundärelement bestehen. Z. B. kann das elektrische Bauteil
eine zu dem jeweiligen Sekundärelement parallelgeschaltete
Z-Diode sein, die leitend wird, wenn an das Sekundärelement
ein Spannung angelegt wird, die größer ist als die Durch
bruchsspannung der Z-Diode. Dabei erwärmt sich die Z-Diode
und ein (wie oben verschalteter) Heiß- oder Kaltleiter kann
dies zur Signalerzeugung erfassen. Der Vorteil dieser Aus
gestaltung ist die größere Genauigkeit der Überspannungser
fassung.
Wenn die Heiß- oder Kaltleiter nicht alle die gleichen Wi
derstandwerte haben, sondern z. B. zueinander in einem Ver
doppelungs-Verhältnis stehen (1 : 2 : 4 : 8 : 16 . . .) oder log
arithmisch zunehmen, (100 : 1000 : 10000 . . .), kann anhand
der jeweiligen Widerstandsänderung im Falle eines Anspre
chens auch das jeweilige Sekundärelement bestimmt werden,
bei dem der Heiß- oder Kaltleiter angesprochen hat.
Claims (16)
1. Wiederaufladbare elektrische Stromquelle, die mehre
ren, in Reihe geschalteten Sekundärelemente (10, 12, 14,
16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß
- - jedem der Sekundärelemente (10, 12, 14, 16) eine Lade
schaltung (20) zugeordnet ist, die
- - einen Gleichrichter (22), dessen
- - Ausgangsanschlüsse (26, 28) mit den Polen (+, -) eines Sekundärelementes (10, 12, 14, 16) verbunden sind, und
- - eine Wechselspannung übertragende Potentialtrenneinrich tung (24) aufweist, deren
- - Ausgangsanschlüsse mit Eingangsanschlüssen (32, 34, 36) des Gleichrichters (22) verbunden sind, und deren
- - Eingangsanschlüsse (38, 40) mit einer Wechselspannungs quelle (42) verbunden sind.
- - einen Gleichrichter (22), dessen
2. Wiederaufladbare elektrische Stromquelle nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Sekundärelemente (10, 12, 14, 16) durch UltraCaps ge bildet sind.
3. Wiederaufladbare elektrische Stromquelle nach Anspruch
1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
- - der Gleichrichter (22) als Mittelpunktschaltung mit Schottkydioden ausgestaltet ist.
4. Wiederaufladbare elektrische Stromquelle nach Anspruch
1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
- - der Gleichrichter (22) als gesteuerter Synchrongleich richter mit MOSFETs ausgestaltet ist.
5. Wiederaufladbare elektrische Stromquelle nach Anspruch
4, dadurch gekennzeichnet, daß
- - der Gleichrichter (22) durch Signale aus der Wechselspan nung übertragenden Potentialtrenneinrichtung (24) gesteuert ist.
6. Wiederaufladbare elektrische Stromquelle nach Anspruch
4, dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Wechselspannung übertragende Potentialtrenneinrich tung ein Transformator (24) ist, der zur Übertragung von mittelfrequenter Wechselspannung (500 Hz bis 500 kHz) ein gerichtet ist.
7. Wiederaufladbare elektrische Stromquelle nach Anspruch
5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Steuersignale mittels jeweils einer Hilfswicklung (58, 60) des Transformators (24) erzeugt werden.
8. Wiederaufladbare elektrische Stromquelle nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Wechselspannungsquelle ein Wechselrichter (42) ist, der aus einer Gleichspannung (=) eine mittelfrequente Wech selspannung (∼) erzeugt.
9. Wiederaufladbare elektrische Stromquelle nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß
- - die jedem Sekundärelement (10, 12, 14, 16) zugeordneten Ladeschaltungen (20) mit einen Gleichrichter (22) und einer Wechselspannung übertragenden Potentialtrenneinrichtung (24) auf wenigstens einer Platine angeordnet sind, wobei alle Ladeschaltungen (20) mit einer gemeinsamen Wechsels pannungsquelle verbunden sind.
10. Wiederaufladbare elektrische Stromquelle nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Wechselspannungsquelle dazu eingerichtet ist, eine Wechselspannung mit einem Spannungsmittelwertverlauf zu liefern, der proportional zu dem Integral der erforderli chen Ladestromsignalform ist.
11. Wiederaufladbare elektrische Stromquelle nach Anspruch
1-10, dadurch gekennzeichnet, daß
- - in thermischem Kontakt mit jedem der Sekundärelemente ein temperaturempfindliches elektrisches Bauteil angeordnet ist, dessen elektrische Eigenschaften auf Veränderungen hin überwacht werden.
12. Wiederaufladbare elektrische Stromquelle nach Anspruch
11, dadurch gekennzeichnet, daß
- - bei jedem der Sekundärelemente ein Heißleiter angeordnet ist, und alle Heißleiter sind in Reihe geschaltet, wobei ein durch die Reihenschaltung der Heißleiter fließender Strom überwacht wird, um ein Abschalt-, Alarm- oder sonsti ges Steuersignal zu erzeugen.
13. Wiederaufladbare elektrische Stromquelle nach Anspruch
11, dadurch gekennzeichnet, daß
- - bei jedem der Sekundärelemente ein Kaltleiter angeordnet ist, und alle Kaltleiter sind parallel geschaltet, wobei ein durch die Parallelschaltung der Kaltleiter fließender Strom überwacht wird, um ein Abschalt-, Alarm- oder sonsti ges Steuersignal zu erzeugen.
14. Wiederaufladbare elektrische Stromquelle nach Anspruch
1-10, dadurch gekennzeichnet, daß
- - in elektrischem Kontakt mit jedem der Sekundärelemente ein temperaturempfindliches elektrisches Bauteil angeordnet ist, dessen elektrische Eigenschaften auf Veränderungen hin überwacht werden.
15. Wiederaufladbare elektrische Stromquelle nach Anspruch
14, dadurch gekennzeichnet, daß
- - das bzw. jedes elektrische Bauteil eine Z-Diode ist, die leitend wird, wenn an das Sekundärelement ein Spannung an gelegt wird, die größer ist als die Durchbruchsspannung der Z-Diode, und
- - die dabei auftretende Erwärmung der jeweiligen Z-Diode durch einen mit dieser in thermischem Kontakt stehenden Heiß- oder Kaltleiter überwacht wird, um ein Abschalt-, Alarm- oder sonstiges Steuersignal zu erzeugen.
16. Wiederaufladbare elektrische Stromquelle nach Anspruch
11-14, dadurch gekennzeichnet, daß
- - die Heiß- oder Kaltleiter unterschiedliche Widerstandwer te aufweisen, deren Verhältnis zueinander so festgelegt ist, daß anhand der jeweiligen Widerstandsänderung im Falle eines Ansprechens auch das jeweilige Sekundärelement be stimmt werden kann, bei dem der Heiß- oder Kaltleiter ange ordnet ist.
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