DE19753210A1 - Wiederaufladbare elektrische Stromquelle - Google Patents

Wiederaufladbare elektrische Stromquelle

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DE19753210A1 DE1997153210 DE19753210A DE19753210A1 DE 19753210 A1 DE19753210 A1 DE 19753210A1 DE 1997153210 DE1997153210 DE 1997153210 DE 19753210 A DE19753210 A DE 19753210A DE 19753210 A1 DE19753210 A1 DE 19753210A1
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    • H02J7/0013Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries acting upon several batteries simultaneously or sequentially
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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.
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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