DE202004019007U1

DE202004019007U1 - Ladegerät für Akkumulatoren

Info

Publication number: DE202004019007U1
Application number: DE202004019007U
Authority: DE
Original assignee: Voigt and Haeffner GmbH
Current assignee: ELTEK DEUTSCHLAND GMBH, DE
Priority date: 2004-12-07
Filing date: 2004-12-07
Publication date: 2005-02-24
Anticipated expiration: 2014-12-08

Abstract

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.

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 Ladegerät 1 in einem Gehäuse 2 mit einem Energieeingang 3 und einem Energieausgang 4. Am Energieeingang 3 liegt eine Eingangsspannung 5 an, die durch das Ladegerät 1 umgewandelt wird, so daß am Energieausgang 4 eine Ausgangsspannung 6 als Gleichspannung zur Verfügung steht, die der Nennspannung eines angeschlossenen Akkumulators 7 entspricht. Die Umwandlung der Eingangsspannung 5 erfolgt im Ladegerät 1 durch eine Eingangsschaltungsanordnung 8, einen Zwischenkreis 9 und eine Ausgangsschaltungsanordnung 10. Mit der Eingangsschaltungsanordnung 8 wird eine angelegte Wechselspannung am Energieeingang 3 in eine Gleichspannung umgewandelt, die im Zwischenkreis 9 als Zwischenkreisspannung 11 zur Verfügung steht.
Der Zwischenkreis 9 steht mit der Ausgangsschaltungsanordnung 10 in Verbindung. Die Zwischenkreisspannung 11 beträgt im vorliegenden Fall 390 V. Über angesteuerte Transistoren wird diese Gleichspannung des Zwischenkreises 9 in eine hochfrequente Wechselspannung umgewandelt. Die hochfrequente Wechselspannung mit beispielsweise einer Frequenz von 100 kHz wird einem Hochfrequenz-Transformator 12 an seiner Primärseite 13 zugeführt. Die hochfrequente Wechselspannung der Primärseite 13 wird dann durch den Hochfrequenz-Transformator 12 über einen Ferrit-Kern auf eine Sekundärseite 14 des Hochfrequenz-Transformators 12 übertragen. Die Sekundärseite 14 des Hochfrequenz-Transformators 12 weist zwei Ausgangsstufen 15 mit jeweils einer Spule 16 auf. Diese beiden Spulen 16 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 Akkumulator 7 eine Nennspannung von 36 V aufweist. Über einen Mikroprozessor 18, der mit der Erkennungsanordnung 17 in Verbindung steht, werden die Hochstromrelais so geschaltet, daß die Spulen 16 in Reihe angeordnet sind. Die identischen Spulen 16 geben jeweils an ihren Wicklungsausgängen eine Spannung von beispielsweise 13 V ab. Aus der Reihenschaltung der Spulen 16 ergibt sich somit eine Gesamtspannung von 26 V. Diese Gesamtspannung reicht aber für den angeschlossenen Akkumulator 7 als Ladespannung nicht aus. Daher wird automatisch, gesteuert durch den Mikroprozessor 18, das Tastverhältnis am Hochfrequenz-Transformator 12 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 Spulen 16, daß die erzeugte Ausgangsspannung 6 nun über 36 V beträgt.
Durch die Ausgangsschaltungsanordnung 10 wird die Ausgangsspannung 6 automatisch, gesteuert durch den Mikroprozessor 18, eingestellt, beispielsweise auf 43 V bei einem Akkumulator 7 mit einer Nennspannung von 36 V. Der Akkumulator 7 wird dann kontinuierlich geladen, indem am Energieausgang 4 ein Ausgangsstrom 20 vom Ladegerät 1 zur Verfügung gestellt wird. Der Ausgangsstrom 20 beträgt im vorliegenden Fall 15 A. Während des Ladevorgangs ist die abgegebene Leistung des Ladegeräts am Energieausgang 4 konstant.
Während des Ladevorgangs überwacht der Mikroprozessor 18 die Eingangsspannung 5, die Zwischenkreisspannung 11 und die Ausgangsspannung 6. Auch die entsprechenden Ströme am Spannungseingang 5 im Zwischenkreis 9 und am Energieausgang 4 werden entsprechend überwacht. Falls beispielsweise der Akkumulator 7 nicht korrekt am Energieausgang 4 angeschlossen wurde, weil beispielsweise die Anschlußpole des Akkumulators nicht mit den Anschlußpolen des Energieausgangs 4 übereinstimmen und eine Verpolung vorliegt, so wird dies vom Ladegerät 1 erkannt und durch den Mikroprozessor 18 ein Laden des Akkumulators 7 verhindert. Hierfür überwacht der Mikroprozessor 18 beispielsweise vorhandene Relais im Ladegerät 1. Auch wäre es denkbar, daß der Energieausgang 4 durch einen Fehler kurzgeschlossen wird. In diesem Fall sorgt ebenfalls der Mikroprozessor 18 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 Ladegerät 1 übertragen werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Datenschnittstelle als standardisierte RS232-Schnittstelle ausgebildet. Über diese Datenschnittstelle 21 kann auch das Ladegerät 1 intern kalibriert werden. Damit das Ladegerät 1 auch unabhängig von einem Peripheriegerät bedient werden kann, weist das Ladegerät 1 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 Ladegerät 1 in einer Schnittansicht mit dem Gehäuse 2, das an seiner Oberseite 22 und an seiner Unterseite 23 jeweils eine Öffnung 24 aufweist, die gegenüberliegend sind. Zwischen diesen Öffnungen 24 ist ein Kühlkamin 25 angeordnet. Die Geometrie des Kühlkamins 25 ist so gestaltet, daß das Ladegerät 1 nur mit Eigenkonvektion gekühlt wird. Zur Übertragung der Wärme im Inneren des Ladegeräts 1 zum Kühlkamin 25 hin sind zwischen wärmeerzeugenden Einrichtungen 26 wärme leitende Elemente 27 angeordnet. Die wärmeleitenden Elemente 27 können auch als Federelemente 28 ausgebildet sein. Solche Federelemente 28 haben mehrere Funktionen. Zum einen leiten sie Wärme an einen bestimmten Bereich ab und zum anderen fixieren sie beispielsweise Halbleiterschaltungen 29 auf Trägerfolien.
Die Elemente 27 führen die Wärme der Einrichtungen 26 zum Kühlkamin 25 hin, der wiederum die Wärme an die Luft im Inneren des Kühlkamins 25 abgibt. Da die wärmeleitenden Elemente 27 im unteren Teil des Gehäuses 2 angeordnet sind, erwärmt sich die Luft im Inneren des Kühlkamins 25 stärker im unteren Bereich. Diese erwärmte Luft steigt auf und tritt aus dem Kühlkamin 25 aus. Im unteren Bereich des Kühlkamins 25 tritt dann kalte Luft aus der Umgebung des Ladegeräts 1 in den Kühlkamin 25 ein und kann weiter Wärme aufnehmen. Die erwärmte Luft steigt dann ebenfalls nach oben und verläßt den Kühlkamin 25. Auf diese Weise wird Wärme aus dem Inneren des Gehäuses 2 über den Kühlkamin 25 an die Umgebung des Ladegeräts 1 abgegeben. Eine erzwungene Kühlung mit beispielsweise Ventilatoren ist in diesem Fall nicht notwendig.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Kamins 25 in der Draufsicht. Der Kühlkamin 25 weist Zwischenräume 31 auf, die durch mehrere Kühlrippen 32 gebildet sind. Die Kühlrippen vergrößern die Oberfläche im Inneren des Kühlkamins 25 und verbessern die Wärmeabfuhr. Die abzuführende Wärme gelangt über die wärmeleitendenden Elemente 27 über direkten Kontakt zum Kühlkamin 25. Die Wärme wird über die Wände des Kühlkamins 25 oder die Kühlrippen 32 an die Luft im Innern des Kühlkamins 25 abgegeben. Der verminderte Querschnitt des Kühlkamins durch die vorhandenen Rippen 32 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 Eingangsspannung 5 und die automatische Erkennung der Nennspannung des angeschlossenen Akkumulators 7 weltweit verwendet werden. Auch ist das Ladegerät 1 gegen Umwelteinflüsse geschützt und weist die Schutzklasse IP 52 auf. Mit dem Ladegerät 1 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 Akkumulators 7 beispielsweise 6 V, 12 V, 24 V oder 36 V. Durch die Erkennungsanordnung 17 ist es somit möglich, den Akkumulator 7 beliebigen Typs an das Ladegerät 1 anzuschließen, ohne daß weitere Einstellungen am Ladegerät 1 vorgenommen werden müssen. Das Ladegerät 1 erkennt den Akkumulator 7 selbständig und stellt dann die Ladeparameter, wie Ausgangsstrom 20 und Ausgangsspannung 6, am Energieausgang 4 selbständig ein. Ein vollautomatischer Betrieb ist somit gewährleistet.

Claims

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.