DE202004019007U1 - Ladegerät für Akkumulatoren - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Ladegerät für Akkumulatoren, wobei das Ladegerät einen Energieeingang und einen Energieausgang aufweist und an dem Energieausgang ein Akkumulator anschließbar ist.
- Ein Akkumulator speichert elektrische Energie und gibt diese als Gleichspannung an einen angeschlossenen Verbraucher ab. Wird keine weitere Energie dem Akkumulator zugeführt, so entlädt sich der Akkumulator, während er den Verbraucher versorgt. Der entladene Akkumulator kann mit einem Ladegerät wieder aufgeladen werden, so daß er erneut als Energiequelle für einen Verbraucher zur Verfügung steht. Die Verwendung von Akkumulatoren ist vielfältig, so daß der Akkumulator und der daran angeschlossenen Verbraucher aufeinander abgestimmt sind. Akkumulatoren werden beispielsweise in Fahrzeugen eingesetzt, um ein Bordnetz mit angeschlossenen Ver brauchern zu versorgen. Beispielsweise haben Lastkraftwagen, Kraftfahrzeuge und Motorräder verschiedene Akkumulatortypen mit unterschiedlichen Nennspannungen. Um die verschiedenen Akkumulatoren aufzuladen, sind oft mehrere Ladegeräte notwendig, die auf den jeweiligen Akkumulatortyp oder zumindest auf eine Nennspannung des Akkumulators abgestimmt sind.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ladegerät für Akkumulatoren anzugeben, mit dem unterschiedliche Akkumulatortypen geladen werden können.
- Diese Aufgabe wird bei einem Ladegerät der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Ladegerät eine Erkennungsanordnung zur Erkennung einer angelegten Eingangsspannung am Energieeingang und zur Erkennung einer Nennspannung eines am Energieausgang angeschlossenen Akkumulators aufweist, die mehr als zwei unterschiedliche Nennspannungen erkennt.
- Mit einer Erkennungsanordnung zur Erkennung einer angelegten Eingangsspannung kann das Ladegerät an unterschiedliche Energiequellen angeschlossen werden. Dabei ist es möglich, daß das Ladegerät selbständig die maximale Höhe der anliegenden Spannung sowie die Frequenz der anliegenden Spannung ermittelt. Durch die Erkennungsanordnung kann das Ladegerät sowohl an eine Wechselspannungsversorgung als auch eine Gleichspannungsversorgung angeschlossen werden. Falls die Eingangsspannung eine Wechselspannung ist, wird diese mit einer Gleichrichterschaltung im Ladegerät in eine Gleichspannung umgewandelt. Die aufgenommene Energie am Energieeingang wird im Ladegerät so umgewandelt, daß am Ener gieausgang des Ladegeräts eine Ausgangsspannung zur Verfügung steht, die der Nennspannung des angeschlossenen Akkumulators entspricht. Die Nennspannung wird selbständig vom Ladegerät erkannt, beispielsweise durch eine Spannungsmessung mit einem Spannungsteiler.
- Es ist bevorzugt, daß an dem Energieeingang eine Wechselspannung mit einem maximalen Effektivwert zwischen 90 V und 270 V und einer Frequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz anlegbar ist. Ein solches Ladegerät kann vielseitig eingesetzt werden, da in dem vorgeschlagenen Spannungs- und Frequenzbereich die öffentlichen elektrischen Energieversorgungsnetze praktisch weltweit betrieben werden. Eine manuelle Einstellung der Spannungsamplitude und der Frequenz ist nicht notwendig. Das Ladegerät erkennt diese Bereiche selbständig.
- Es ist besonders bevorzugt, daß das Ladegerät einen Hochfrequenz-Transformator aufweist, der mindestens zwei Ausgangsstufen aufweist, die parallel oder in Reihe zueinander schaltbar sind. Der Hochfrequenz-Transformator wandelt die Spannung, d.h. er setzt sie herab, und überträgt die elektrische Leistung im Ladegerät. Der Hochfrequenz-Transformator weist beispielsweise einen Ferrit-Kern auf, an dem stromführende Spulen angeordnet sind. Auf der Primärseite des Hochfrequenz-Transformators werden eine oder mehrere Spulen mit elektrischer Energie versorgt. Durch einen magnetischen Fluß im Kernmaterial des Hochfrequenz-Transformators entsteht durch magnetische Induktion auf der Sekundärseite des Transformators eine Ausgangsspannung. Der hier bevorzugte Hochfrequenz-Transformator weist zwei Ausgangsstufen, beispielsweise zwei Spulen, auf seiner Sekundärseite auf. Diese beiden Ausgangsstufen können mit Hilfe von Hochstromrelais entweder parallel oder in Reihe zueinander geschaltet werden. Bei einer Reihenanordnung addieren sich die Spannungen an den Ausgangsstufen und ergeben somit eine höhere Ausgangsspannung, als eine Ausgangsstufe alleine bereitstellt. Bei einer Parallelschaltung der Ausgangsstufen bleibt die Spannung unverändert, es addieren sich jedoch die Ströme. Damit bei einer Parallelschaltung der Ausgangsstufen keine unnötigen Ausgleichsvorgänge stattfinden, ist es zweckmäßig, wenn die Ausgangsstufen der Sekundärseite des Hochfrequenz-Transformators identisch ausgeführt sind. Dies bedeutet beispielsweise, daß die Spulen der beiden Ausgangsstufen einen gleichen Drahtdurchmesser und eine gleiche Anzahl der Windungen mit gleichem Wickelsinn aufweisen. Bei Frequenzen über 20 kHz werden die Drahtquerschnitte größer als 1 mm2 gewählt, damit Verluste klein gehalten werden. Auch ist es möglich, daß Kupferfolie oder Hochfrequenz-Litze verwendet wird.
- Es ist besonders bevorzugt, daß ein Tastverhältnis des Hochfrequenz-Transformators veränderbar ist. Ein einstellbares Tastverhältnis am Hochfrequenz-Transformator wird genutzt, um an der Ausgangsstufe des Hochfrequenz-Transformators die Spannung zu erhöhen. Dies wird erreicht, indem das Tastverhältnis am Hochfrequenz-Transformator erhöht wird. Auf diese Weise kann zusätzlich zu der Umschaltung der Ausgangsstufen die Ausgangsspannung des Hochfrequenz-Transformators verändert werden.
- Vorzugsweise weist das Ladegerät einen Mikroprozessor auf. Der Mikroprozessor kann beispielsweise die Um schaltung der Ausgangsstufen bewirken. Der Mikroprozessor erkennt mit Hilfe beispielsweise einer Spannungsmessung die Nennspannung des angeschlossenen Akkumulators und schaltet den Energieausgang auf diese Spannung um. Dem Mikroprozessor können auch weitere Meßwerte zugeführt werden, die dann auf Über- oder Unterschreitung von Grenzwerten überwacht werden. Mögliche Meßwerte zur Überwachung sind die Netzspannung, die Ausgangsspannung des Ladegeräts, der Ausgangsstrom des Ladegeräts, eine Temperatur, Schaltstellungen von Relais, eine Kurzschlußüberwachung, eine Akkumulatorverpolung und Kontakte von Polzangen am Akkumulator.
- In bevorzugter Weise ist das Ladegerät durch Eigenkonvektion kühlbar. Bei einer Kühlung durch Eigenkonvektion werden thermische Verhältnisse am Ladegerät genutzt. Man erspart sich dadurch beispielsweise Lüfter, die sonst zusätzliche Energie benötigen.
- Vorzugsweise weist das Ladegerät einen Kühlkamin auf. Mit einem Kühlkamin kann die Wärme, die im Ladegerät entsteht, abgeführt werden. Dabei kann im Kühlkamin ein Lüfter angeordnet sein oder der Kühlkamin so ausgebildet sein, daß er thermische Verhältnisse am Ladegerät nutzt und somit durch Eigenkonvektion kühlt.
- Zweckmäßigerweise weist das Ladegerät ein Gehäuse auf, das mindestens zwei Öffnungen aufweist, zwischen denen der Kühlkamin angeordnet ist, der in thermischem Kontakt mit wärmeleitenden Elementen steht, die vom Gehäuse umschlossen sind. Das Ladegerät kann beispielsweise jeweils an seiner Oberseite und seiner Unterseite eine Durchtrittsöffnung aufweisen. Zwischen diesen Öffnungen befindet sich der Kühlkamin, so daß kältere Luft von der Unterseite des Ladegeräts durch den Kühlkamin zur Oberseite des Ladegeräts gelangt. Der Kühlkamin kann dabei als Hohlkörper so ausgebildet sein, daß er eine Eigenkonvektion unterstützt. Der Kühlkamin kann einstückig ausgebildet sein und dabei Kühlrippen aufweisen.
- Bevorzugterweise steht der Kühlkamin über wärmeleitende Kühladapter und Federklemmen mit wärmeerzeugenden Einrichtungen des Ladegeräts in Verbindung. Die Kühladapter können beispielsweise metallisches Material aufweisen, so daß die Wärme an den Kühlkamin abgegeben wird. Eine wärmeerzeugende Einrichtung sind beispielsweise der Hochfrequenz-Transformator, Kondensatoren, Gleichrichter und Schalttransistoren. Da ein Ladevorgang eines Akkumulators mehrere Stunden andauern kann, ist es notwendig, daß diese wärmeerzeugenden Einrichtungen nicht überhitzt werden. Um die Kühlung noch effektiver zu gestalten, ist es auch möglich, daß der Kühlkamin selbst als Kühlkörper mit Kühlrippen oder Kühlwaben ausgebildet ist oder daß der Kühlkamin mit einem solchen Kühlkörper direkt in Verbindung steht.
- Bevorzugterweise sind Voreinstellungen am Ladegerät zugangsgeschützt. Voreinstellungen am Ladegerät sind werkseitig vorgegeben aus Sicherheitsgründen für den Anwender nicht veränderbar. Es soll somit sichergestellt werden, daß nur Personen Einstellungen am Ladegerät verändern können, die das Ladegerät in seiner Funktionsweise kennen. Eine Zugangssperre kann beispielsweise über einen Code oder über ein Paßwort entsperrt werden.
- Vorzugsweise weist das Ladegerät eine Datenschnittstelle auf. Mit einer Datenschnittstelle können beispielsweise Daten von einem Peripheriegerät, zum Beispiel einem Computer oder einem Mobiltelefon, auf das Ladegerät oder auch Daten des Ladegeräts auf das Peripheriegerät übertragen werden. Die Datenschnittstelle kann als drahtgebundene Schnittstelle ausgeführt sein, oder sie kann auch eine Infrarotverbindung herstellen.
- Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung des elektrischen Aufbaus des Ladegeräts, -
2 eine schematische Schnittansicht durch das Ladegerät und -
3 eine Ausführungsform eines Kühlkamins in der Draufsicht. -
1 zeigt schematisch ein Ladegerät1 in einem Gehäuse2 mit einem Energieeingang3 und einem Energieausgang4 . Am Energieeingang3 liegt eine Eingangsspannung5 an, die durch das Ladegerät1 umgewandelt wird, so daß am Energieausgang4 eine Ausgangsspannung6 als Gleichspannung zur Verfügung steht, die der Nennspannung eines angeschlossenen Akkumulators7 entspricht. Die Umwandlung der Eingangsspannung5 erfolgt im Ladegerät1 durch eine Eingangsschaltungsanordnung8 , einen Zwischenkreis9 und eine Ausgangsschaltungsanordnung10 . Mit der Eingangsschaltungsanordnung8 wird eine angelegte Wechselspannung am Energieeingang3 in eine Gleichspannung umgewandelt, die im Zwischenkreis9 als Zwischenkreisspannung11 zur Verfügung steht. - Der Zwischenkreis
9 steht mit der Ausgangsschaltungsanordnung10 in Verbindung. Die Zwischenkreisspannung11 beträgt im vorliegenden Fall 390 V. Über angesteuerte Transistoren wird diese Gleichspannung des Zwischenkreises9 in eine hochfrequente Wechselspannung umgewandelt. Die hochfrequente Wechselspannung mit beispielsweise einer Frequenz von 100 kHz wird einem Hochfrequenz-Transformator12 an seiner Primärseite13 zugeführt. Die hochfrequente Wechselspannung der Primärseite13 wird dann durch den Hochfrequenz-Transformator12 über einen Ferrit-Kern auf eine Sekundärseite14 des Hochfrequenz-Transformators12 übertragen. Die Sekundärseite14 des Hochfrequenz-Transformators12 weist zwei Ausgangsstufen15 mit jeweils einer Spule16 auf. Diese beiden Spulen16 sind über ein oder mehrere Hochstromrelais entweder parallel zueinander oder in Reihe zueinander verschaltbar. - Im vorliegenden Fall wird von einer Erkennungsanordnung
17 erkannt, daß der angeschlossene Akkumulator7 eine Nennspannung von 36 V aufweist. Über einen Mikroprozessor18 , der mit der Erkennungsanordnung17 in Verbindung steht, werden die Hochstromrelais so geschaltet, daß die Spulen16 in Reihe angeordnet sind. Die identischen Spulen16 geben jeweils an ihren Wicklungsausgängen eine Spannung von beispielsweise 13 V ab. Aus der Reihenschaltung der Spulen16 ergibt sich somit eine Gesamtspannung von 26 V. Diese Gesamtspannung reicht aber für den angeschlossenen Akkumulator7 als Ladespannung nicht aus. Daher wird automatisch, gesteuert durch den Mikroprozessor18 , das Tastverhältnis am Hochfrequenz-Transformator12 verstellt. - Im vorliegenden Fall wird eine höhere Ausgangsspannung
6 benötigt, so daß das Tastverhältnis von beispielsweise 30 % auf 40 % erhöht wird. Diese Tastverhältnisverstellung bewirkt zusätzlich zu der Reihenschaltung der Spulen16 , daß die erzeugte Ausgangsspannung6 nun über 36 V beträgt. - Durch die Ausgangsschaltungsanordnung
10 wird die Ausgangsspannung6 automatisch, gesteuert durch den Mikroprozessor18 , eingestellt, beispielsweise auf 43 V bei einem Akkumulator7 mit einer Nennspannung von 36 V. Der Akkumulator7 wird dann kontinuierlich geladen, indem am Energieausgang4 ein Ausgangsstrom20 vom Ladegerät1 zur Verfügung gestellt wird. Der Ausgangsstrom20 beträgt im vorliegenden Fall 15 A. Während des Ladevorgangs ist die abgegebene Leistung des Ladegeräts am Energieausgang4 konstant. - Während des Ladevorgangs überwacht der Mikroprozessor
18 die Eingangsspannung5 , die Zwischenkreisspannung11 und die Ausgangsspannung6 . Auch die entsprechenden Ströme am Spannungseingang5 im Zwischenkreis9 und am Energieausgang4 werden entsprechend überwacht. Falls beispielsweise der Akkumulator7 nicht korrekt am Energieausgang4 angeschlossen wurde, weil beispielsweise die Anschlußpole des Akkumulators nicht mit den Anschlußpolen des Energieausgangs4 übereinstimmen und eine Verpolung vorliegt, so wird dies vom Ladegerät1 erkannt und durch den Mikroprozessor18 ein Laden des Akkumulators7 verhindert. Hierfür überwacht der Mikroprozessor18 beispielsweise vorhandene Relais im Ladegerät1 . Auch wäre es denkbar, daß der Energieausgang4 durch einen Fehler kurzgeschlossen wird. In diesem Fall sorgt ebenfalls der Mikroprozessor18 dafür, daß ein Ladevorgang sofort abgebrochen wird oder erst gar nicht begonnen wird. - Über eine Datenschnittstelle
21 können Ladeparameter an ein angeschlossenes Peripheriegerät abgegeben werden. Dieses Peripheriegerät ist beispielsweise ein Computer. Auch können dann Daten von dem Peripheriegerät auf das Ladegerät1 übertragen werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Datenschnittstelle als standardisierte RS232-Schnittstelle ausgebildet. Über diese Datenschnittstelle21 kann auch das Ladegerät1 intern kalibriert werden. Damit das Ladegerät1 auch unabhängig von einem Peripheriegerät bedient werden kann, weist das Ladegerät1 mehrere Tasten und eine Anzeigefläche auf. Über diese Tasten kann beispielsweise ein Zugangscode eingegeben werden, so daß ein Anwender Systemparameter des Ladegeräts verstellen kann. -
2 zeigt das Ladegerät1 in einer Schnittansicht mit dem Gehäuse2 , das an seiner Oberseite22 und an seiner Unterseite23 jeweils eine Öffnung24 aufweist, die gegenüberliegend sind. Zwischen diesen Öffnungen24 ist ein Kühlkamin25 angeordnet. Die Geometrie des Kühlkamins25 ist so gestaltet, daß das Ladegerät1 nur mit Eigenkonvektion gekühlt wird. Zur Übertragung der Wärme im Inneren des Ladegeräts1 zum Kühlkamin25 hin sind zwischen wärmeerzeugenden Einrichtungen26 wärme leitende Elemente27 angeordnet. Die wärmeleitenden Elemente27 können auch als Federelemente28 ausgebildet sein. Solche Federelemente28 haben mehrere Funktionen. Zum einen leiten sie Wärme an einen bestimmten Bereich ab und zum anderen fixieren sie beispielsweise Halbleiterschaltungen29 auf Trägerfolien. - Die Elemente
27 führen die Wärme der Einrichtungen26 zum Kühlkamin25 hin, der wiederum die Wärme an die Luft im Inneren des Kühlkamins25 abgibt. Da die wärmeleitenden Elemente27 im unteren Teil des Gehäuses2 angeordnet sind, erwärmt sich die Luft im Inneren des Kühlkamins25 stärker im unteren Bereich. Diese erwärmte Luft steigt auf und tritt aus dem Kühlkamin25 aus. Im unteren Bereich des Kühlkamins25 tritt dann kalte Luft aus der Umgebung des Ladegeräts1 in den Kühlkamin25 ein und kann weiter Wärme aufnehmen. Die erwärmte Luft steigt dann ebenfalls nach oben und verläßt den Kühlkamin25 . Auf diese Weise wird Wärme aus dem Inneren des Gehäuses2 über den Kühlkamin25 an die Umgebung des Ladegeräts1 abgegeben. Eine erzwungene Kühlung mit beispielsweise Ventilatoren ist in diesem Fall nicht notwendig. -
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kamins25 in der Draufsicht. Der Kühlkamin25 weist Zwischenräume31 auf, die durch mehrere Kühlrippen32 gebildet sind. Die Kühlrippen vergrößern die Oberfläche im Inneren des Kühlkamins25 und verbessern die Wärmeabfuhr. Die abzuführende Wärme gelangt über die wärmeleitendenden Elemente27 über direkten Kontakt zum Kühlkamin25 . Die Wärme wird über die Wände des Kühlkamins25 oder die Kühlrippen32 an die Luft im Innern des Kühlkamins25 abgegeben. Der verminderte Querschnitt des Kühlkamins durch die vorhandenen Rippen32 im Inneren des Kühlkamins trägt zur besseren Wirkungsweise des Abtransports der Wärme bei. - Das hier dargestellte Ladegerät
1 ist transportabel und kann durch die automatische Erkennung der Eingangsspannung5 und die automatische Erkennung der Nennspannung des angeschlossenen Akkumulators7 weltweit verwendet werden. Auch ist das Ladegerät1 gegen Umwelteinflüsse geschützt und weist die Schutzklasse IP 52 auf. Mit dem Ladegerät1 können verschiedene Akkumulatortypen, wie beispielsweise Bleisäureakkumulatoren, Bleigelakkumulatoren und Bleivliesakkumulatoren geladen werden. Solche Akkumulatoren werden beispielsweise bei Motorrädern, Kraftfahrzeugen und Lastkraftwagen eingesetzt. Dabei beträgt die Nennspannung des Akkumulators7 beispielsweise 6 V, 12 V, 24 V oder 36 V. Durch die Erkennungsanordnung17 ist es somit möglich, den Akkumulator7 beliebigen Typs an das Ladegerät1 anzuschließen, ohne daß weitere Einstellungen am Ladegerät1 vorgenommen werden müssen. Das Ladegerät1 erkennt den Akkumulator7 selbständig und stellt dann die Ladeparameter, wie Ausgangsstrom20 und Ausgangsspannung6 , am Energieausgang4 selbständig ein. Ein vollautomatischer Betrieb ist somit gewährleistet.
Claims (11)
- Ladegerät (
1 ) für Akkumulatoren, wobei das Ladegerät (1 ) einen Energieeingang (3 ) und einen Energieausgang (4 ) aufweist und an dem Energieausgang (4 ) ein Akkumulator (7 ) anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladegerät (1 ) eine Erkennungsanordnung (17 ) zur Erkennung einer angelegten Eingangsspannung (5 ) am Energieeingang (3 ) und zur Erkennung einer Nennspannung eines am Energieausgang (4 ) angeschlossenen Akkumulators (7 ) aufweist, die mehr als zwei unterschiedliche Nennspannungen erkennt. - Ladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Energieeingang (
3 ) eine Wechselspannung mit einem maximalen Effektivwert zwischen 90 V und 270 V und einer Frequenz zwischen 45 Hz und 65 Hz anlegbar ist. - Ladegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladegerät (
1 ) einen Hochfrequenz-Transformator (12 ) aufweist, der mindestens zwei Ausgangsstufen (15 ) aufweist, die parallel oder in Reihe zueinander schaltbar sind. - Ladegerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tastverhältnis des Hochfrequenz-Transformators (
12 ) veränderbar ist. - Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladegerät (
1 ) einen Mikroprozessor (18 ) aufweist. - Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladegerät (
1 ) durch Eigenkonvektion kühlbar ist. - Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladegerät (
1 ) einen Kühlkamin (25 ) aufweist. - Ladegerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagegerät (
1 ) ein Gehäuse (2 ) aufweist, das mindestens zwei Öffnungen (24 ) aufweist, zwischen denen der Kühlkamin (25 ) angeordnet ist, der in thermischem Kontakt mit wärmeleitenden Elementen (27 ) steht, die vom Gehäuse (2 ) umschlossen sind. - Ladegerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlkamin (
25 ) über wärmeleitende Elemente (27 ) mit wärmeerzeugenden Einrichtungen (26 ) des Ladegeräts (1 ) in Verbindung steht. - Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Voreinstellungen am Ladegerät (
1 ) zugangsgeschützt sind. - Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladegerät (
1 ) eine Datenschnittstelle (21 ) aufweist.
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2004
- 2004-12-07 DE DE202004019007U patent/DE202004019007U1/de not_active Expired - Lifetime
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