DE2036752C3 - Schaltungsanordnung zum Schnelladen einer Batterie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnunf zum Schnelladen einer Batterie mit ^nem Wechselrichter, dessen Eingang an eine Gleichspannungs quelle und dessen Ausgang über einen Transformatoi an einen mit der zu ladenden Batterie verbundener Gleichrichter angeschlossen ist.

Eine solche beispielsweise aus der deutschen Aus

legeschrift 1241898 bekannte Batterie-Ladeschaltung besitzt den Nachteil, daß das Wiederaufladen einer Batterie erhebliche Zeit, meist mehrt re Stunden in Anspruch nimmt. Zur Beschleunigung des Aufladevorganges für eine Batterie ist es bereits aus der belgischen Patentschrift 710 108 bekannt, die Ladestromzufuhr jeweils bei Erreichen einer vom Ladezustand der Batterie abhängigen Kenngröße für eine kurze Entladung mit hohem Entladestrom zu unterbrechen. Eine nach diesem Gedanken arbeitende Schaltung sieht vor, daß ein auf den Ladezustand der 8atterie ansprechender Schalter bei Betätigung die Batterie von der sie aufladenden Gleichspannungsquelle trennt und für einen bestimmten Zeitraum eine Last an die Batterie legt. Häufig liegen die Umstände jedoch so, daß ein eigener Entladestrompfad nicht zur Verfügung steht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs erwähnte Ladeschaltung so weiterzubilden, daß die zum Wiederaufiaden einer Batterie benötigte Zeit erheblich abgekürzt werden kann.

Bei der genannten Schaltungsanordnung gelingt die Lösung dieser Aufgabe dadurch, daß der Gleichrichter aus mindestens einem Einweggleichrichterelement besteht, und daß der Wechselrichter so betrieben ist, daß die Zeitspanne, innerhalb der der Momentanwert der Wechselspannung vom Maximalwert bis erheblich unter die Batterieklemmenspannung absinkt, wesentlich kleiner als die Erholungszeit des Einweggleichrichters in Sperrichtung ist. Die Erfindung kommt also ohne eigenen Entladungsstrompfad aus, weil sie die Erholungszeit des Einweggleichrichterelementes zum Absaugen eines erheblichen, kurzzeitigen Entladungsstromes über den Ladestrompfad ausnutzt.

Der Wechselrichter kann dabei zweckmäßig zwei im Gegentakt arbeitende Transistoren aufweisen, die über eine erste Wicklung eines zweiten, sättigbaren Transformators mit im wesentlichen rechteckiger Hysterese verbunden sind und von diesem gesteuert werden. Mit dieser Ausführungsform der Erfindung ergeben sich hohe Ladeströme, die mit einer durch den sättigbaren Transformator beeinflußten Frequenz durch Entladestromimpulse unterbrochen werden.

Zur weiteren Steigerung der Ladeleistung kann ein zweiter Wechselrichter vorgesehen sein, dessen Betrieb durch eine Synchronisiereinrichtung mit dem ersten Wechselrichter synchronisiert ist, wobei sich dann als Synchronisiereinrichtung eine zweite Wicklung des sättigbaren Transformators empfiehlt.

Für ein kräftiges Einsetzen der Ladung kann zwischen Gleichspannungsquelle und Wechselrichter eine Starterschaltung für letzteren geschaltet sein, die dann vorzugsweise ein ein parallel zu den Anschlüssen der Gleichspannungsquelle angeordnetes Reihen-RC-Glied aufweist, dessen Verknüpfungspunkt über eine Referenzdiode an die Verbindung der Basisanschiüsse die Transistoren des Wechselrichters angeschlossen ist.

Die besondere Leistungsfähigkeit der Erfindung im Hinblick auf die gestellte Aufgabe erweist sich dann, wenn eine auf eine vorbestimmte Spannung an den Polen der Batterie ansprechende Steuerschaltung zur Abtrennung der Batterie von der Gleichspannung vorgesehen ist; bei der sich dadurch ergebenden Schaltungsanordnung ist die zur Ladung der Batterie benötigte Zeit einerseits durch Beschleunigung des Ladevorgangs selbst und andererseits durch eine durch die Steuerschaltung ermöglichte rasche und zuverlässige Feststellung der Volladung auf unerwartet kurze Zeitspannen abkürzbar.

Im einzelnen kann die Steuerschaltung eine paraliel zu der Batterie geschaltete Reihenschaltung aus einem

Thyristor und eine Unterbrecheranordnung aufweisen, wobei an die Steuerelektrode des Thyristors eine Teilspannung der Batterieruhespannung anlegbar ist und ein Stromfluß durch den geöffneten Thyristor die Unterbrecheranordnung zur Beendigung der weiteren

ίο Batterieladung auslöst. Für die Unterbrecheranordnung bieten sich mehrere zweckmäßige Ausführungsformen an: für viele Fälle genügt ein mechanisch arbeitendes Relais, dessen Wicklung dann in Reihe mit deßi Thyristor und dessen erster Kontaktsatz in dem

Gleichstrom-Versorgungsweg des Wechselrichters angeordnet sein kann. Eine besonders wirkungsvolle Abtrennung der Batterie von der Gleichspannung ergibt sich, wenn die Unterbrecheranordnung eine in Reihe mit dem Thyristor angeordnete dritte Wicklung

des zweiten Transformators ist, weil dann die Abtrennung vor dem Wechselrichter ermöglicht wird. Schließlich kann die Unterbrecheranordnung alterna- Uj auch wenigstens ein dem Gleichrichterelement nachgeschalteter (zweiter) Thyristor sein, dessen

as Steueranschluß mit dem durch den ersten Thyristor führenden Stromweg verbunden ist.

Zweckmäßig kann weiter zu der Batterie ein eine Zenerdiode enthaltender Spannungsteiler parallel geschaltet sein, an welchem ein Teil der Spannung an den Polen der Batterie zur Aufladung eines Kondensators abgegriffen ist, wobei dann die am Kondensator anstehende Spannung zugleich am Steueranschluß des ersten Thyristors liegt.

Da die Steuerschaltung erst dann in Funktion zu

treten braucht, wenn die Spannung an den Polen der Batterie in die Nähe der Ladeschlußspannung ansteigt, genügt während des Anfangs-Ladens eine Art Vor-Fühlen der Spannung an den Polen, wofür in zweckmäßiger Weiterführung der Erfindung vor dem

Eingang der Steuerschaltung eine parallel zur Batterie angeordnete Abtastschaltung vorgesehen ist, die den Ladevorgang für eine durch ein RC-Glied vorbestimmte Zeitspanne unterbricht, so daß während der Unterbrechung die Steuerschaltung nur an der Batte-

rieruhespannung liegt. Das erwähnte Vor-Fühlen der Spannung an den Polen der Batterie kann zweckmäßig durch Aufladen eines Kondensators geschehen, der innerhalb der Abtastschaltung mit einem Widerstand in Reihenschaltung angeordnet ist, wobei der Ver-

knüpfungspunki der Reihenschaltung über eine Referenzdiode mit dem Steueranschluß eines steuerbaren Schalters verbunden ist, und wobei der Schalter parallel zum Thyristor an die Unterbrecheranordnung angeschlossen ist. Durch diese Ausbildung der Abtast-

schaltung wird die Unterbrecheranordnung kurzzeitig ansprechen und nur dann eine endgültige Abtrennung der Batterie bewirken, wenn die Steuerschaltung die Volladung festgestellt hat.

Die Steuerschaltung kann bei einer als Relais ausgeführten Unterbrecheranordnung dann zweckmäßig noch dadurch verbessert werden, daß das Relais einen weiteren Kontaktsatz aufweist, der bei nichtansprechender Abtastschaltung den Abgriff des Spannungsteilers ku^schließt. Die Steuerschaltung ist dann mit Sicherheit so lange ruhig gestellt, wie ihr Betrieb nicht benötigt wird. Alternativ kann schließlich der Abgriff des Spannungsteilers auch durch einen im Ladebetrieb leitenden Schalttransistor kurzgeschlossen sein, der

bei Ansprechen des steuerbaren Schalters in seinen Sperrbereich gesteuert wird und so den Abgriff freigibt.

Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben. Im einzelnen zeigt

Fi g. 1 ein Blockdiagramm der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung für ein Batterie-Schnelladegerät,

Fig. 2 ein Schaltbild der Spannungsquelle sowie des Wechselrichters und zugehöriger Schaltungsteile aus der Schaltungsanordnung aus Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltbild des Batterieladekreises mit der Steuerschaltung aus der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1,

Fi g. 4 eine weitere Ausführungsform des Batterieladekreises mit einer dem Gleichrichter nachgeschalteten Steuerschaltung,

F i g. 5 ein Diagramm zur Erläuterung der zeitlichen Änderung der Batterie-Ruhespannung bei Aufladung durch die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,

F i g. 6 ein Diagramm, aus dem der zeitliche Verlauf der Batteriespannung deutlich wird,

Fig. 7 eine graphische Darstellung des zeitlichen Verlaufs des Entladestromes bei Ladung der Batterie, und

Fig. 8 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Fig. 1 zeigt im unteren Teil eine Spannungsquelle 1, die Gleichspannung abgibt, einen an die Spannungsquelle 1 angeschlossenen Wechselrichter 2, einen Transformator 3, einen Gleichrichter 4 sowie eine Steuerschaltung 5.

Die Einzelheiten der Spannungsquelle 1 sowie des Wechselrichters 2 erläutert Fi g. 2. Danach weist die Spannungsquelle 1 einen Wechselspannungsgeber 10 beliebiger Frequenz und Spannung auf. Der Ausgang des Wechselspannungsgebers 10 liegt an einem Brückengleichrichter 11, der die Wechselspannung zu einer pulsierenden Gleichspannung umsetzt, die ihrerseits vom Kondensator 12 geglättet wird.

Der Wechselrichter 2 besteht im wesentlichen aus einer Gegentaktstufe mit zwei Transistoren 16, 17. Zur Einleitung des Wechselrichterbetriebes ist eine Starterschaltung 6 vorgesehen, die einen Widerstand 13 und einen Kondensator 14 aufweist, welche in Reihe über dem Ausgang des Gleichrichters 11 liegen. Eine Referenzdiode 15 ist zwischen Widerstand 13 und Kondensator 14 angeschlossen, dadurch entsteht ein Sägezahn-Oszillator oder Kipp-Generator.

Der Wechselrichter 2 enthält! einen Leistungstransistor 16 und einen weiteren Leistungstransistor 17 mit den jeweiligen Emitteranschlüssen 18 bzw. 19, die an der negativen Seite des Ausgangsanschlusses des Gleichrichters 11 liegen. Der Kollektor 20 des Transistors 16 ist über eine Wicklung 21 des Transformators 3 mit der positiven Seite des Brückengleichrichters 11 verbunden. Der Kollektor 22 des Transistors 17 ist in ähnlicher Weise mit der positiven Seite des Gleichrichters 11 über eine Wicklung 23 des Transformators 3 verbunden. Die Basis 24 des Transistors 16 ist mit der Basis 25 des Transistors 17 über eine erste Wicklung 26 eines zweiten sättigbaren Transformators 27 und über eine kleine Wicklung 28 des Transformators 3 verbunden.

Die Basistreiberschaltung des Transistors 16 besteht aus einem Widerstand 29 und einer Wicklung 30 des Transformators 3, wobei der Widerstand 29 und die Wicklung 30 zwischen die Basis 24 und den Emitter 18 in Reihe geschaltet sind. Parallel zum Widerstand 29 ist eine Diode 31 geschaltet, um die Übergangszeit beim Schalten der Transistoren zu verringern. Der Transistor 17 weist eine ähnliche Basistreiberschaltung aus einem Widerstand 32 und einer Wicklung 33 auf, welche in Reihe zwischen die Basis 25 und den Emitter 19 geschaltet sind, wobei eine Diode 34 über dem Widerstand 24 liegt.

Der Ausgang des Wechselrichters 2 liegt über dem

to Transformator 3 am Gleichrichter 4. Dieser is': an die Sekundärwicklungen 40 und 41 des Transformators 3 angeschlossen und bewirkt eine Zweiweggleichrichtung des Wechselrichter-Ausganges. Der gleichgerichtete Wechselrichterausgang liegt an der zu laden-

J5 den Batterie 50 an. Zwischen dem Gleichrichter 4 und der Batterie 50 befindet sich eine Steuerschaltung 5 zur Beendigung des Schnelladevorganges. Diese Steuerschaltung 5 weist einen Spannungsteiler aus einer Zenerdiode 51, einen Widerstand 52 und einen

ao Potentiometer 53 auf, welche miteinander in Reihe und insgesamt parallel zur Batterie 50 geschaltet sind. Der einstellbare Abgriff des Potentiometers !53 liegt an einem Strombegrenzungs-Widerstand 54 in Reihe mit einem Kondensator 55. Die Steuerschaltung weist ferner einen Siliziumgleichrichter 56 sowie eine Relaiswicklung W_A auf, welche in Reihe zwischen dem Ausgang des Gleichrichters 4 und der Batterie 50 liegen. Den Siliziumgleichrichter 56 überbrückt ein Kondensator 57 zur Aufnahme von Spannungsspitzen.

Im Betrieb fließt Strom vom Ausgang des Brükkengleichrichters U und Glättungskondensators 12 durch den Widerstand 13 und lädt den Kondensator 14 auf. Wenn die exponentiell ansteigende Spannung am Kondensator 14 die Zündspannung der Referenzdiode 15 erreicht, wird diese leitend und steuert die Basis des Transistors 17 in ihren positiven Zustand mit eintm Impuls von etwa 2 Mikrosekunden Dauer. Die Induktivität der Wicklung 28 ist relativ gering im Vergleich zur Induktivität der Wicklung 26. so daß die Basis des Transistors 17 eher als die Basis des Transistors 16 in den positiven Zustand gesteuert wird. Wenn der Transistor 17 vorgespannt ist und zu leiten beginnt, induziert der Kollektorstrom durch die Wicklung 23 einen zunehmenden Fluß im Kern des Transformators 3. Dieser zunehmende Fluß läßt Strom in der Wicklung 33 fließen, welcher die Basis 25 des Transistors 17 weiter in den positiven Bereich steuert. Dies läßt wiederum den Kollektorstrom durch den Transistor 17 ansteigen, so daß der Transistor Π rasch gesätttigt wird. Obgleich der Fluß im Transformatorkern weiter zunimmt, wird der Steuerstrom füi die Basis 25 durch den Widerstand 32 auf einen unge fährlichen Wert begrenzt.

Die zunehmende Spannung an der Wicklung 32 liegt auch an der Basis 24 des Transistors 16 übei die Wicklung 28 und die Wicklung 26 des sättigbarer Transformators 27. Die Spannung an der Wicklunj 30 in der Basistreiberschaltung des Transistors 16 is

jedoch gegenphasig zu der Spannung an der Wicklung 33, so daß der Transistor 16 über den Sperrzustanc hinaus vorgespannt wird. Die Induktivität der Win dung 26 des sättigbaren Transformators 27 begrenz den Stromfluß zwischen den BasistreiberscbaPtungen

bis der Fluß im Transformator 27 die Kernsaftigunj erreicht. Der Kern des särtigbaren Transformators 2' hat sehr scharfe Ecken in seiner Hystereseschleife und «obald er gesättigt ist. wird die Induktivität seh

gering, so daß der Strom durch die Wicklung 26 rasch ansteigen kann. Dieser Strom läßt den Spannungsabfall am Widerstand 32 entsprechend ansteigen, so daß der Transistor 17 abgeschaltet wird. Der vom Strom durch die Wicklung 23 induzierte Fluß verschw.ndet dann rasch und kehrt die Phase der Spannung an der Wicklung 30 momentan um, so daß die Basis 24 des Transistors 16 positiv gesteuert wird. Der Muß in sdttigbaren Transformator 27 bricht ebenfalls augenblicklich zusammen, und die dadurch in der Wicklung 26 erzeugte Spannung steuert den Transistor 16 in den Sättigungszustand. u„i«;_rh

Der zuvor leitende Transistor 17 bleibt obgleich er in den Abschaltzustand gesteuert wird, so lange leitend, wie ein Träger in der Emitter-Bas^Verbindung bleibt. Die Diode 34 und der Shun. -Widerstand 32 bilden einen Weg zum Ableiten der gespeicherten Ladung und verringern dadurch die Übergangszeit, walrrend derer beide Transistoren 16 und 17 lei ten. Im leitenden Zustand des Transistors 16 wird^der Strom durch die Wicklung 26 umgekehrt, und das geiche gilt für den Fluß im Kern des Transformators 27

Nach Sättigung des Kerns des T«nrfoimatoB^ steuert Strom durch den Widerstand129 den Transistor 16 in den Abschaltzustand, während die in,de^W.ck lung 33 induzierte Spannung eine Vorspannung her vorTuft, die den Transistor 17 einzuschalten beginnt Die Schaltgeschw indigkeit der Transistoren 16,und 17 und damit die Wechselrichterfrequenz werden durch den sättigbaren Transformator 27 gesteuert Dieser und seine Wicklungen stellen die in Fig. 1 in block

γ · c u,«^;cinrpinrirhtune

Wechselrichters zur Verfügung steht· es jedoch erwünscht, eine Ausgangsleistung zuhaben die größer ,st als die mit den derzeit verfugbaren Le stungstransistoren erzielbare. Um die zum Laden ei ncr Batterie verfügbare Leistung und die= Spannung zu erhöhen, die dem Ladekre.s ™g^efu™ "f^ kann, werden zwei Wechselrichter verwendet Bei noch höherem Leistungsbedarf können auch mehr als zwei Wechselrichter eingesetzt weraen.

Die einzelnen Wechselrichter*^ Hungcn sind ^ maß Fig. 1 und 2 an Bruckengie.chr.ch te ange schlossen Ein Brückcnglcichrichicr 7 erzeugt dw Gleichspannung fur einen weiten Wechselrichter^, der mit dem Brückengleichrichter 11 und dem Wech selrichter 2 zusammenwirkt, um größere Le« und Spannungsabgabe zu bieten. Der 2. Wecn»«n ter8 hat keine besondere Startschaltung sondern wird mit Hilfe einer Wicklung 60 des sattigDar Transformators 27 in Gang gesetz.Wenn der Fl

entsprechenden Transistoren 16 und 17 im IKiS- wirkt der Leistungstransformator 27 als Zeitgeber und als Synchronisierer

Die Brückengleichrichter 7 und 11 K Hilfe eines zwifchen den Gleiehnchtern

nine eines zwistncn uc„ ■>->■ ■·---- .„huprier

Spannungsgeber 10 geschalteten Schalte« entweder in Reihe oder parallel miteinander verbunden werden.

Der Schalter 61 ist ein doppelpoliger Kippschalter, der die Brückengleichrichter 7 und 11 in Parallelschaltung verbindet, wenn er sich in der in F i g. 2 gezeigten Stellung befindet. Wird er in die andere Stellung bewegt, so sind die Gleichrichter 7 und 11 in Reihe verbunden.

Der Gleichrichter 4 enthält Dioden 62 und 63, die auf kurze Erholungszeiten ausgesucht sind, und zwar in der Größenordnung von 50 Mikrosekunden oder ίο darunter. Die Kathoden der Dioden 62 und 63 sind miteinander verbunden und bilden die positive Ausgangsklemme des Gleichrichters, an den die positive Klemme der Batterie 50 angeschlossen ist.

Bei dem Schnelladen der Batterie ist ein Entladungspfad vorgesehen, um die Batterie periodisch zu entladen und die Aufnahmefähigkeit der Batterie für hohen Ladestrom zu erhöhen und den Spannungsanstieg am Ende des Ladevorganges mit dem Ladungszustand der Batterie ins Verhältnis zu bringen. Der Entladungspfad wird durch das Zusammenwirken des zeitlichen Verlaufs der Wechselspannungsausgänge aus den Wechselrichtern 2 und 8 mit der Erholungszeit der Dioden 62 und 63 gebildet. Die Wechselrichter 2 und 8 sind so ausgelegt, daß sie eine im wesentlichen Rechteckform besitzende Wechselspannung erzeugen, die eine steile Rückflanke mit einer kurzen Übergangsperiode zwischen dem positiven und negativen Impuls hat.

Die Verwendung von Dioden mit einer Erholungszeit von beispielsweise 50 Mikrosekunden im Gleichrichter 4 gewährleistet, daß die Diode während des Überganges von einem positiven Impuls zu einem negativen Impuls leitend bleibt. Wenn beispielsweise der Strompfad durch die Diode 62 erhalten bleibt, erfolgt nach Umkehrung der Polarität der Spannung an der Wicklung 40 eine Kombination dieser Spannung mit der Spannung der Batterie 50, wordurch ein scharfer Entladungsimpuls im Bereich von 500 A oder mehr erzeugt wird. Dieser Impuls dauert nur eine sehr kurze Zeit, da sein Fluß durch die Diode 62 im Abschaltsinne der Diode wirkt.

Um einen Schaden an der Batterie zu verhindern, der bei Überladen eintreten könnte, wird die Steuerschaltung 5 verwendet. Der aus Zenerdiode 51, Widerstand 52 und Potentiometer 53 gebildete Spannungsteiler tastet die Batterieklemmenspannung ab. Wenn diese einen vorbestimmten Wert erreicht, bricht dio Sperrung der Zenerdiode zusammen, so daß diese leitet und leitend bleibt während der nachfolgenden 50 Ladung der Batterie.

Wenn die Spannung, welche in demjenigen Teil des Potentiometers 53 auftritt, der im Steuerkreis des Thyristors 56 liegt, die Schaltspannung des Thyristors übersteigt, wird dieser durchgesteuert. Sobald das ge-55 schehen ist, fließt Strom von der Verbindung der Kathoden der Dioden 62 und 63 durch die Relaiswicklung W_A und die Anoden/Kathoden-Verbindung des Thyristors 56. Der Stromfluß durch die Wicklung W_A läßt das Relais anziehen, das einen Öffner A₁ im 6o Strompfad vom Spannungsgeber 10 hat, so daß keine weitere Ladung erfolgt.

Die Steuerschaltung 5 spricht auf Fluktuationen der Spannung der Batterie 50 an und ist daher nicht ein so zuverlässiger Indikator des Ladungszustandes 6s der Batterie wie die Batteriespannung, wenn kein Ladestrom fließt, nämlich die Batterieruhespannung.

Fig. 3 zeigt eine andere Steuerschaltung, die auf die Batterieruhespannung anspricht. Soweit dort EIe-

mente vorgesehen sind, welche die gleiche Funktion wie entsprechende Teile in Fig. 2 ausüben, so sind sie mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.

In Ergänzung der Bauteile der Schaltung in Fig. 2 ist gemäß Fig. 3 eine Abtastschaltung 70 sowie ein Kurzschlußpfad 71 vorgesehen, welcher einen Ruhekontakt A₁ aufweist, der mit der Relaiswicklung W_A zusammenwirkt. Der Kurzschlußpfad 71 liegt parallel zum Potentiometer 53, so daß die die Ladung beendigende Schaltung mit dem Thyristor 56 unwirksam ist, während der Kontakt A₂ geschlossen ist und einen Kurzschlußpfad um das Potentiometer 53 bildet.

Die Abtastschaltung 70 weist eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 72 und einem Kondensator 73 auf, die über den Ausgang des Gleichrichters 4 gelegt sind. An der Verbindungsstelle des Widerstandes 72 und des Kondensators 73 ist eine Referenzdiode 74 in Reihe mit einem Strombegrenzungs-Widerstand 75 angeschlossen. Der Strombegrenzungs-Widerstand 75 ist mit der Basis 76 eines Transistors 77 verbunden. Dessen Kollektor-Emitter-Pfad liegt in Reihe mit der Relaiswicklung W_A und über dem Thyristor 56. Ein Entladungspfad für den Kondensator 73 ergibt sich durch einen Widerstand 78, der in Reihe mit Schließer .4, ies Relais geschaltet ist.

Wenn an dem Gleichrichter 4 am Ausgang der Wechselrichter Spannung angelegt und vom Gleichrichter gleichgerichtet wird. Hißt die pulsierende Gleichspannung einen Strom durch den Widerstand

72 und den Kondensator 73 fließen, welcher exponentiell geladen wird. Wenn die Spannung am Kondensator 73 die Durchbruchspannung der Referenz-Diode 74 erreicht, leitet sie und legt eine positive Spannung an die Basis 76 des Transistors 77, welcher dadurch durchlässig gesteuert wird. Der Kolleklor-Emitter-Strom durch den Transistor 77 fließt durch die Relaiswicklung W_A und erregt das Relais. Daraufhin schließt der Kontakt Α_λ und öffnet einen Entladungsweg für den Kondensator 73. Die Größe des Widerstandes 78 im Entladungsweg des Kondensators

73 und dessen Kapazität bestimmen die Zeitdauer, während der der Transistor 77 aufgesteuert ist, und damit die Verweilzeit des Relais W_A. Dessen Eiregung durch den Kollektor-Emitter-Strom des Transistors 77 öffnet dem Kontakt A_x im Strompfad von dem Spannungsgeber 10 und trennt den Ladekreis vom Ladestrom.

Nach Abtrennen des Ladestroms sinkt die Batteriespannung auf den Ruhewert, welcher ein genaues Maß für den Ladungszustand der Batterie ist. Ein Teil der Batterieruhespannung wird von der Reihenschaltung, bestehend aus Thyristor 56, dem Widerstand 54 und dem Potentiometer 53, abgetastet, sobald bei der Erregung der Relaiswicklung W_A der Kontakt A ₂ öffnet.

Wenn sich die angelegte Spannung auf oder oberhalb der Schaltspannung des Thyristors 56 befindet, so zündet dieser und hält die Wicklung W_A des Relais angezogen. Auf diese Weise ertastet der Thyristor 56 die Batterieruhespannung und spricht zwecks Beendigung des Schnelladevorganges der Batterie auf eine vorbestimmte Ruhespannung an.

In manchen Anwendungsfällen kann es erwünscht sein, nach Beendigung des Schnelladevorganges weiterhin eine Pufferladung aufzubringen. Zu diesem Zweck kann der in Fig. 2 dargestellte, den Relaiskontakt A, umgehende Pufferladungsweg vorgesehen werden (vgl. weiter unten).

In manchen Fällen ist es ferner zweckmäßig, feste Schaltungsteile statt elektromechanischer Relais zu verwenden. Eine zum Zwecke der Schnelladebeendigung hiermit arbeitende Schaltungsanordnung ist in Fig. 4 dargestellt. Diese Schaltungsanordnung wird von einem oder mehreren Hochfrequenz-Wechselrichtern gespeist.., wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind. Der A.usgang dieser Hochfrequenz-Wechselrichter ist über einen Transformator an die

ίο Sekundärwicklungen 101 und 102gekoppelt, die auch aus einer einzigen Wicklung mit Mittelabgriff bestehen können. Die entgegengesetzten Enden der Wicklungen 101 und 102 sind mit Dioden 103 bzw. 104 verbunden, welche dazu dienen, den Wechselspannungsausgang gleichzurichten. Die Dioden 103 und 104 sind jeweils an Schaller 105 und 106 einer Übertragungseinrichtung geschaltet, welche den gleichgerichteten Ausgang an die positive Klemme der zu ladenden Batterie 107 koppelt. Die negative Klemme

der Batterie 107 ist mit der Verbindung der Wicklungen 101 und 102 verbunden, wodurch der Kreis geschlossen wird.

Der Schalter 105 enthält einen als zweiten zu bezeichnenden Thyristor 108 und einen Vorspannwi-

derstand 109, welcher zwischen die Anode und die Steuerelektrode des Thyristors 108 geschaltet ist.

Die Schaltungsanordnung zur Beendigung des Schnelladens der Batterie in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Batterieruhespannung weist eine Rei-

henschaltung aus einem Widerstand 110 und einem Kondensator 111 auf. welche über die Batterie 107 liegt. Eine Referenzdiode 112 ist zwischen die Verbindung des Widerstandes 110 mit dem Kondensator 111 und die negative Seite der Batterie 107 über einen Widerstand 113 gelegt. Ein Begrenzungswiderstand

114 verbindet die Referenzdiode 112 mit der Basis

115 eines Transistors 116. Der Emitter 117 des Transistors 116 ist mil der negativen Seite der Batterie 107 über einen Widerstand 118 verbunden. Der KoI-lektor 119 des Transistors 116 ist über einen Widerstand 120 und eine Diode 121 mit der Steuerelektrode des Thyristors 108 verbunden. Der Kollektor 119 liegt ferner über einen Widerstand 120 und eine Diode 123 am Tor eines weiteren Thyristors 122 des Schalters

106.

Ein Spannungsteiler, der aus einer Reihenschaltung einer Zener-Diode 124, eines Widerstandes 125 und eine? Potentiometers 126 besteht, ist über die Batterie 107 gelegt. Ein Teil der am Potentiometer 126 auftretenden Spannung wird dem Tor des ersten Thyristors 127 über einen Strombegrenzungs-Widerstand 128 zugeführt, welcher über einen Umgehungskondensator 129 zwecks Ausfilterung von Signalspitzen geerdet ist. Der Thyristor 127 ist mit der Kathodenverbindung

der Dioden 121 und 123 über einen Widerstand 130 verbunden. Zwischen der Anode und Kathode des Thyristors 127 liegt ein Kondensator 131, um Spannungsstöße abzuleiten. Über dem Potentiometer 126 liegt ein Transistor 132 in Reihe mit dem Widerstand

118, um einen Strompfad von geringem Widerstand um das Potentiometer 126 herzustellen und den Thyristor 127 zu sperren, während der Transistor 132 leitet. Der Transistor 132 hat einen Vorspannwiderstand, der zwischen seinen Kollektor und seine Basis geschaltet ist.

Im Betrieb wird hochfrequente Wechselspannung von Rechteckform aus dem Wechselrichter durch die Wicklungen 101 und 102 an die Gleichrichterdioden

ii

der Spannungspolarität vom Eingang des Wechsel-

und 104 gelegt. . _ß ; _hte ^l _{rs so zusam}menwirkt, daß sich der erwünschte

Zum Zwecke der Darstellung se, angenommen daß nu ers ^ _{n der G} ^ _E

die zu ladende Batterie 107 7 Ah und eine Spannung J^ ^ _{Batterie durch die} D.ode m

von 24 V hat. Es sei ferner angenommen daß ehe Ba - ^g* _{richt erfolgl} eine Erholung in etwa einer terie aus 20 Nickel-Cadm.um-Zellen besteht und bis 5 £ ^B _Mikrosekunde.

zu einer Spannung von etwa 15 V «^den worden nai ₂₄._v._{Batlerie von} 7 Ah aus N.ckel-Cadwar. Die Ladekurve einer derartigen Batterie wah _um._{zdlen hat} der Entladungsstrom (vgl. Fig. 7) rend ihrer Ladung mit Hilfe der in F. g. 4 dargestellten muim /£^^ _{vQn ungefähr 500 A f}ü_{r ei}ne Dauer Schaltung ist in Fig. 5 gezeigt. _von etwa einer halben Mikrosekunde und wird gefolgt Die Spannungsänderungen wahrend des Lade oszillierenden Strom mit einem Spitze-zuintervalls und des Entladeintervalls s.nd in der Kurve ™ⁿ £ _{von etwa 1200} A für die Dauer von etwa der Fig. 5 nicht dargestellt, sondern es .siitedghch ^ ^_{n Mikrose}kunde. Der Entladungsstrom die Batterieruhespannung gezeigt. Es wurde getun Batterieklemmenspannung, wie dies die den. daß die Batterieruhespannung ein gute.: Ind ka- mü _{6 erheb}Hch abnehmen, wodurch tor des Ladezustandes der Batterie ,st. und es wurde >5 ™^rv _A ^e _ufnah|_cfahigkeit der Batterie fur weitere Laferner gefunden, daß die Batteneruhespannung sehr α« ^^ ^₀ stark ansteigt, wenn man sich dem vollgeladenen Zu- dung _{d in die} Batterie 107 flieBt, tließt stand nähert. Dies zeigt die in Fig. 5 darstellte ^ ^ _{Strom durch den} widerstand UO und Kurve der Batterieruhespannung. _{d den Konden}sator 111 auf. Wenn dessen bpan-Wie bei den Schaltkreisen der Fig. 2 und 3 s nd » ^ _Durcnbruchsp_annUng der Diode 112 er-Entladungsimpulse von der Batterie 107 durch,de b _{diese m ]eiten} gleichrichtenden Dioden 103 und 104 bzw. im FaUe reicht g _Ladebcginns bei geringer Battenerudes Kreises der F i g. 4 durch die Thyristoren,1081 und ^a ₍ ^ _Durchsch, _der Rtferenzvorgesehen. Eine typische Ent adungskurve fur hup s ^ ^ _Sekunden. _Mlt ^nehmender eine 24 V-Batterie, welche mit Hilfe der in Fig^4 »5 Jode ^- _fortg_esetzter La^dun8 .^er" dargestellten Schaltung geladen wird, ist in F'ig. 7gc- β Durchschlagen der Referenzdiode 112 hauzeig., wobei die Zeitachse gegenüber der]c«gen in toig Abstände von 2 Sekunden. Sobald FiI. 5 gedehnt wurde. Die Dauer des Entladungsim- Mgeru _Referenzdiode 112 fließt wird der pulses wird durch die Übergangszeit der Wechsel- Sm-rn aussteuert und für ungefähr eine spannung am Ausgang des Wechse nchters und der 30 Trans* _{Mjllisekunden jn den} Sättigungszustand ge-Erholungszeit sowohl der Diode 103 new« angc

schlossenem Thyristor 108 als auch der Diode 104 bracht _{Rtrom fur den} Transistor 116 fließ

nebst angeschlossenem Thyristor 122 bestimmt. Bum u Widerstand 120 vom Verbindungspunk

Sä^ „ die obere K.emme der Wicklung ^ÄÄÄ pos.tiv in bezug auf die untere Klemme, und wenn £ · _{hindert wird}. _wird das Schnelladen unterbrodie anliegende Spannung die Batterieklemmenspan^ 1 _{so daß die} Batteneruhespannung an der Steuernung übersteigt, w.rd die Diode 103 aufgesteuert In 40 tne .

ähnlicher Weise wird der Thyristor 108 vorgespannt scna k^.^ ^₂ ._{%{ jm aUgemeinen} standig ge-

und vom Torstrom durch den Widerstand 109 ge- _tundzwar durch den seiner Basis von der Anode

schaltet. Danach fließt der Battendades.rom durch sat | _{]ode 124 zuge}fuhrten Strom^ Wenn je-

die leitende Diode 103 sowie den Thyristor 108 *■ Transistor 116 aufgesteuert wird, tritt eine

Wahrend des Fließens von Ladestrom steigt die 45 ^ _itivcSungam Emitter des Transistors 132 auf

Bauericklemmenspannung leicht an und neigt dazu po-' P^ ^^ _{ab ßeim Abschalten} des Trans,-

der Rechteckform der angelegten Spannung von den u _{rf ein q ej] der} Batteneruhespannung über

Wechselrichtern /u folgen. Diese Battenekl,emmen- s _{widerstand U}8 und das Potentiometer 126 an

spannung ,st in Fig. 6 dargestellt. Wenn die Ein α ^ _Jh ^ ,„ _ge, _t. _Wenn die an das

gangsspannung vom Wechselrichter »«ginnt, die Po 50 _{Th nstors} 127 gelegte abgetastete Spannuni

larität zu wechseln, so findet der Übergang vo™ » _einen vorbestimmten Wert erreicht hat, bleib!

Positiven ms Negative an der oberen Klemme der m ^ ^ _nichtleitend. _und der Ladevorgani

Wicklung 101 in Mikrosekunden statt beginnt wieder mit gleicher Stärke, sobald das Abtast-

Eine «ch rasch erholende Diode mit einer Neno- Deg ^ ._$χ ^_{n der bestimrnt}e _Pege

erholungszeit von etwa 50 Mikrosekunden und em 55 ⁱⁿ _{hnstund am} Thyristor 127'liegiI, so öffnet diese

ThyristoTder üblicherweise eine längere Erholuⁿgs er _m ^^ _{dje n in und 123 ab}

zeit hat, bleiben in ihrem leitenden Z^.fg _um die Thyristoren 108 und 122 zu sperren wodurc

sie nicht langer aufgesteuert werden. Da ieDo u Schnelladen der Batterie beendet wird. Eine Puf

103 und der Thyristor 108 in ihrem leitenden Zustand £ _{kann jedoch auch} noch danach der Batten.

verhieben, wenn sie sowohl der Spannung an der _fuh* _wnlen, und zwar dureh einen parallel zui,

Wicklung 101 als auch der Spannung von der Batterie » _{108 gescha}lt_eten Widerstand 140 und ein

107a_Usgesetztsind.fließteingroßerEr.tladungsstrom 1 >' ^ ^_{1 u2 ge},_cha„_ete Indikator

vonderBattenedurchjeneBauteile DjeserUmkehr P _{Sobald der} p_uffenad_ungsweg eingeseU

strom treibt den Thyristor 108 und die Diode 103 au ^P _{hesondere über} die Indikatorlampe 141 s

genblicklich in ihren nicht leitenden Zustand Im 6₅ ^w^_{n man das Ende des} Schnelladens durch Zunahm

Sinne dieser Erfindung ist eine sich rasch erholende _Intensi(at der Lampe 141 erkennen

Diode eine solche, welche eine Nennerholungszeit von α ^ _Schne„_{aden kann} jedoch auch durch Steuerur,

50 Mikrosekunden hat und mit dem raschen wecnse.

des Betriebs des Wechselrichters beendet werden, während zwischen den Eingangs- und Ausgangskreisen die gewünschte Isolierung aufrechterhalten bleibt. Eine in diesem Sinne wirkende Schaltung ist schematisch in Fig. 8 dargestellt.

Die Schaltung in Fig. 8 ist derjenigen in Fig. 2 ähnlich, und die darin gleiche Wirkung ausübenden Bauteile sind in gleicher Weise bezeichnet. Gemäß Fig. 8 fließt jedoch der Anodenstrom des Thyristors 56 durch eine zusätzliche Wicklung 200 des sättigbaren Transformators 27 in der Synchronisiereinrichtung 9 und hält diesen gesättigt, so daß die Leistungstransistoren der Wechselrichter 8 und 2 gesperrt werden.

IO

Andere Mittel zum Übergehen auf eine Pufferladung vom Schnelladen sind in den Schaltbildern der Fig 2 und 3 dargestellt, in Fig. 2 ist beispielsweise ein Weg von relativ hohem Widerstand durch die Reihenschaltung eines Widerstandes 201 und einer Indikatorlampe 202 gebildet, welche den Kontakt ,4, ura arhpn

ßei den Schaltungen der Fig. 2, 3 und 4 nimmt die Wiederholungsgeschwindigkeit der Entladungsimpulse mil zunehmender Ladung zu, weil die Frequenz des Ausganges der Wechselrichter steigt. Dies wird dadurch hervorgerufen, daß die Ladesclialtung geringeren Strom abzieht, wenn die Battenespannung ansteigt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zum Schnelladen einer Batterie mit einem Wechselrichter, dessen Eingang an eine Gleichspannungsquelle und dessen Ausgang über einen Transformator an einen mit der zu ladenden Batterie verbundenen Gleichrichter angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter aus mindestens einem Einweggleichrichterelement (62, 63; 103, 104) besteht, und daß der Wechselrichter (2) so beirieben ist, daß die Zeitspanne, innerhalb der der Momentanwert der Wechselspannung vom Maximaiwert bis erheblich unter die Batterieklemmenspannung absinkt, wesentlich kleiner als die Erholungszeit des Einweggleichrichterelementes in Sperrichtung ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (2) im Gegentakt arbeitende Transistoren (16, 17) aufweist, die über eine erste Wicklung (26) eines zweiten, sättigbaren Transformators (27) mit im wesentlichen rechteckiger Hysterese verbunden sind und von diesem gesteuert werden.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen zweiten Wechselrichter (8), dessen Betrieb durch eine Synchronisiereinrichtung (9) mit dem ersten Wechselrichter (2) synchronisiert ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Synchronisiereinrichtung aus einer zweiten Wicklung (60) des sättigbaren Transformators (27) besteht.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Gleichspannungsquelle (11) und dem Wechselrichter (2) eine Starterschaltung (6) für den Wechselrichter (2) angeordnet ist.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Starterschaltung (6) ein parallel zu den Anschlüssen der Gleichspannungsquelle angeordnetes Reihen-RC-Glied (13, 14) aufweist, dessen Verknüpfungspunkt über eine Referenz-Diode (15) an die Verbindung der Basisanschlüsse (24, 25) der Transistoren (16, 17) angeschlossen ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine auf eine vorbestimmte Spannung an den Polen der Batterie ansprechende und die Gleichspannung zur Batterieladung abschaltende Steuerschaltung (5).

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerschaltung (5) eine parallel zu der Batterie (50,107) geschaltete Reihenschaltung aus einem Thyristor (56, 127) und einer Unterbrecheranordnung W_A, A_x; 200; 108,122) aufweist und daß an die Steuerelektrode des Thyristors (56, 127) eine Teilspannung der Batterieruhespannung anlegbar ist und ein Stromfluß durch den geöffneten Thyristor die Unterbrecheranordnung ( W^, A₁; 200, 108, 122) zur Beendigung der weiteren Batterieladung auslöst.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrecheranordnung aus einem Relais ( W_A, A_x) besteht, dessen Wicklung (W_A) in Reihe mit dem Thyristor

(56) und dessen erster Kontaktsatz (A₁) im Gleichstrom-Versorgungsweg des Wechselrichters (2) angeordnet ist.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrecheranordnung eine in Reihe mit dem Tyhristor (56) angeordnete dritte Wicklung (200) des zweiten Transformators (27) ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterbrecheranordnungaus wenigstens einem dem Gleichrichterelement (103, 104) nachgeschalteten zweiten Thyristor (108, 122) besteht, dessen Steueranschluß mit dem durch den ersten Thyristor (127) führenden Stromweg verbunden ist.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zu der Batterie (50, 107) ein eine Zenerdiode (51; 124) enthaltender Spannungsteiler (51, 52, 53; 124,125, 126) parallel geschaltet ist, an welchem ein Teil der Spannung an den Polen der Batterie zur Aufladung eines Kondensators (55; 129) abgegriffen ist und daß die am Kondensator (55, 129) anstehende Spannung zugleich am SteueranschluiS des ersten Thyristors (56; 127) liegt.

13. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, gekennzeichnet durch eine vor dem Eiingang der Steuerschaltung (5) parallel zur Batterie (50, 107) angeordnete Abtastschaltung (70,71; 110,111,116,132), die den Ladevorgang für eine durch ein RC-Glied (72, 73; 110, 111) bestimmte Zeitspanne unterbricht, so daß während der Unterbrechung die Steuerschaltung nur an der Batterieruhespannung liegt.

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastschaltung eine Reihenschaltung aus einem Widerstand und einem Kondensator aufweist, deren Verknüpfungspunkt über eine Referenzdiode (74; 112) mit dem Steueranschluß (76; 115) eines steuerbaren Schallers (77, 116) verbunden ist und daß der Schalter parallel zu dem Thyristor (56, 127) an die Unterbrecheramordnung (W_A, A_x; 108, 122) angeschlossen ist.

15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais einen weiteren Kontaktsatz (A₂) aufweist, der bei nichtansprechender Abtastschaltung (71) den Abgriff des Spannungsteilers kurzschließt.

16. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgriff des Spannungsteilers durch einen im Ladebetrieb leitenden Schalttransistor (132) kurzgeschlossen ist, welcher bei Ansprechen des steuerbaren Schalters (116) im Sperrbereich gesteuert wird und den Abgriff freigibt.