DE2056045A1

DE2056045A1 - Batterieaufladesystem

Info

Publication number: DE2056045A1
Application number: DE19702056045
Authority: DE
Inventors: Glen Eugene Lavengood Richard Eby Kokomo Ind Harland jun (V St A ) P
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1969-11-13
Filing date: 1970-11-13
Publication date: 1971-06-03
Also published as: US3609505A; JPS5031933B1; FR2069410A5; CA922367A; DE2056045B2; GB1272058A

Description

DR. MÖLLER-BORG D I PL-PHYS. DR. MAN ITZ Dl PL-CHEM. DR. DEUFEL DIPL-ING. FINSTERWALD Dl PL-I NG. GRÄMKO W - ^ _

PATENTANWÄLTE

München, 13. November 1970 Hl/si - G 2114

GEiTEHAL MOTORS CORPORATION ä

Detroit, Michigan, U.S.A.

Batterieladesystem

Die Erfindung betrifft ein Batterieladesystem mit einem Generator, durch dessen Ausgangsleistung eine Batterie unter Steuerung eines Spannungsreglers geladen wird, der zumindest einen temperaturempfindlichen Widerstand aufweist, der in inniger Wärmeleitungsbeziehung mit der Batterie angebracht ist.

Es ist bereits ein 3ystem aus der US-Patentschrift 2 421 523 bekannt, bei dem die Tätigkeit eines abgelegen von der Batterie angeordneten Qchwingreglers durch einen

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Dr. MOIter-lor« Dr. Monili · Dr. Dtuf.l · Dtpl.-Ing. Flmt.rwald DIpL-In₀. Oramkow Irauntchwaig, Am BOrg.rpark t 8 MOndwn 33, Rob«rt-Kodi-SlraO· 1 7 Stuttgart. tad Connilalt

TiLfon (0531) 3 84 V Talcfon (0811) 22 SI 10, Ttltx 522050 mbpo» Marktilrae« 3, T.l.fon (0711) 567241

Widerstand modifiziert wird, der in dem Batteriegehäuse angeordnet ist. Weiterhin ist eine Speicherbatterie aus der US-Patentschrift 3 274 477 bekannt, bei der die gesamte Regieranordnung in oder auf der Batterie in direktem Kontakt mit dieser angeordnet ist.

Das zuerst genannte bekannte System weist den Nachteil auf, daß andere temperaturempfindliche Treiberkomponenten bzw. Steuerkomponenten des Spannungsreglers als der Widerstand durch Änderungen der Umgebungstemperatur beeinflußt werden, so daß eine ungenaue Spannungsregelung hervorgerufen wird. Bei der aus der US-Patentschrift 3 274 477 bekannten Batterie beeinflussen die Wärmeerzeugenden Leistungskomponenten in dem Spannungsregler die Umgebungstemperatur des Spannungsreglers und verfälschen so die Kompensation der Batterietemperatur.

Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Batterieladesystems, das die Ladespannung für eine Batterie mit einem optimalen Ladepegel liefert, bei dem Änderungen der Batterietemperatur genau kompensiert sind.

Zu diesem Zwack ist bei einem erfindungsgemäßen Batterieladesystem vorgesehen, daß nur die Elemente eines Treiberabschnittes bzw. Steuerteils des Spannungsreglers in Wärmeleitungsbeziehung an der Batterie angebracht sind, während der Leistungsteil des Spannungsreglers an dem Generator außerhalb der Wärmeleitungsbeziehung mit der Batterie angebracht ist.

Vorteilhafterweise werden bei den temperaturempfindlichen

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Steuerkomponenten des Spannungsreglers Änderungen der Batterietemperatur kompensiert während sie durch die
von den Leistungskomponenten erzeugte Wärme nicht beeinflußt werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung beispielsweise beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine schaubildliche Ansicht eines Batterieladesystems gemäß der Erfindung und

Fig. 2 ein schematisches Diagramm eines Batterieladesystems gemäß der Erfindung.

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Ein Batterieladesystem umfaßt eine Batterie 10 und einen Generator 12. Die Batterie 10 weist eine positive Klemme oder Leistungsklemme 14 und eine negative Klemme oder geerdete Klemme 16 auf. Der Generator 12 weist eine Ladeklemme 20 und eine geerdete Klemme 22 auf. Ein Ladeleiter 23 verbindet die Ladeklemme 20 des Generators 12 mit der Leistungsklemme 14 der Batterie 10, um die Batterie 10 über den Generator 12 aufzuladen. Die Batterie 10 ist mit einer nicht gezeigten Last elektrisch verbunden und der Generator 12 ist an einem nicht gezeigten Primärantrieb bzw. eine Antriebsmaschine mechanisch angeschlossen. In der Beschreibung ist die Batterie 10 eine elektrolytische Speicherbatterie und der Generator 12 ein Wechselstromgenerator. Jedoch im Grunde genommen kann die Batterie 10 irgendeine wieder aufladbare Batterie und der Generator 14 irgendein steuerbarer Spannungserzeuger sein.

Die dargestellte Batterieladeanordnung umfaßt ebenfalls einen Spannungsregler mit einem Treiberteil bzw. Steuerteil 24 und einem Leistungsteil 26. Der Steuerteil 24 ist an der Batterie 10 in inniger Wärmeleitungsbeziehung mit der Batterie 10 angebracht. Der Leistungsteil 26 ist an dem Generator 12 außerhalb einer innigen Wärmeleitungsbeziehung mit dem Steuerteil 24 angebracht. Der Steuerteil 24 umfaßt eine Eingangsklemme 28 und eine Aus- gangsklemme 30. Der Leistungsteil 26 umfaßt eine Eingangsklemme 32 und eine Ausgangsklemme 34. Eine Versorgungsleitung 36 verbindet die Ausgangsklemme 34 des Leistungsteils 26 mit der Eingangsklemme 28 des Steuerteils 24, um eine Erregerspannung von dem Leistungsteil 26 an den Steuerteil 24 anzulegen. Ein Treibleiter bzw. Steuer-

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leiter 38 verbindet die Ausgangsklemme 30 des Steuerteils 24 mit der Eingangsklemme 32 des leistungsteils 26, um eine Treib er spannung bzw. Steuerspannung von dem Steuerteil 24 an den Leistungsteil 26 anzulegen.

Nach Figur 2 umfaßt die Batterie 10 eine Vielzahl von elektrolytischen Zellen 40, die in Beihe zwischen die positive Klemme 14 und die negative Klemme 16 geschaltet sind. Der Generator 12 umfaßt eine Mehrphasen-Ausgangswicklung 42 und eine Feldwicklung 44. Eine erste "

Gruppe von Gleichrichtern 46 ist in Anoden-Kathodenschaltung von der Ausgangswicklung 42 zu der ladeklemme 20 des Generators 12 verbunden. Eine zweite Gruppe von Gleichrichtern 48 ist in Kathoden-Anoden-Schaltung von der Ausgangswicklung 42 zu der geerdeten Klemme 22 des Generators 12 verbunden. Eine dritte Gruppe von Gleichrichtern 50 ist in Anoden-Kathoden-Schaltung von der Auegangswicklung 42 zu der Ausgangsklemme 34 des leistungsteil s 26 verbunden.

Der Steuerteil 24 des Spannungsreglers umfaßt eine Treiber-Schal tungs einrichtung bzw. Stuerschaltungeeinrichtung, M die durch einen NPN-Plächentransistor 52 mit Basis-, Emitter- und Kollektor-Elektroden vorgesehen ist. Die Kollektor-Elektrode des Transistors^ ist mit der Eingangski emrne 28 des Stoierteils 24 durch einen Vorsejpnnungswlderstand 54 verbunden. Die Emitter-Elektrode de· Transistors 52 ist direkt mit Erde verbunden· Sine spannungsabhängig· Einrichtung ißt durch tine Zenerdiode 56 Bit einer Anoden- und einer Zathoden-Elektrod· vorgesehen. Bit Anod#n-Älektrode der Diode 56 ist mit der Basis-

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Elektrode des Transistors 52 verbunden. Ein spannungsempfindlicher Kreis wird durch ein Spannungsteilernetzwerk 58 gebildet, das einen gewöhnlichen Widerstand 60 und einen temperatur empfindlichen Widerstand oder Thermistor 62 umfaßt. Die Widerstände 60 und 62 sind in Reihe zwischen die positive Leistungeklemme 14 und die negative Leistungsklemme 16 der Batterie 10 geschaltet. Sie Kathoden-Elektrode der Diode 56 ist an einen Verbindungspunkt 64- zwischen den Widerständen 60 und geschaltet. Ein Filterkondensator 66 ist zwischen den Verbindungspunkt 64 und Erde geschaltet.

Der Leistungsteil 26 des Spannungsreglers umfaßt eine Leistungsschaltungseinrichtung, die von einem MJHN-Flächentransistor 68 mit Basis-, Emitter- und Kollektor-Elektroden gebildet wird. Die Basis-Elektrode des Transistors 68 ist auf die Eingangsklemme 32 des Leistungsabschnittes 26 geschaltet. Die Emitter-Elektrode des Transistors ist direkt mit Erde verbunden. Die Kollektor-Elektrode des Transistors 68 1st mit der Ausgangsklemme 34 des Leistungsteils 26 durch die Feldwicklung 44 des Generators 12 verbunden. Eine Spannungsunterdrückungsdiode 70 ist parallel zu der Feldwicklung 44 gescheutet.

Im Betrieb erzeugt die Ausgangswicklung 42 eine Hehrphasen-Ausgangsspannung mit einer Größe, die in Abhängigkeit von der Anlegung einer Erregungspannung an die Feldwicklung 44 ansteigt. Ein erster Brückengleichrichter, der durch die erste und zweite Gruppe von Gleichrichtern 46 und 48 gebildet wird, legt eine Ladespannung von der Auegangswicklung 42 an die Ladeklemme 20 des Generators 12 an. Die Ladespannung ist eine vollweg-gleichgerichtete

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Spannung mit einer Größe, die proportional zu der Größe der Mehrphasen-Ausgangsspannung ist. Durch die Ladeleitung 23 wird die Ladespannung von der Ladeklemme 20 des Generators 12 an die Leistungsklemme 14 der Batterie 10 angelegt, um die elektrolytischen Zellen 40 zu laden. Somit wird eine Ladespannung von der Ausgangswicklung 42 des Generators 12 an die Leistungsklemme 14 der Batterie 10 durch einen Ladekreis angelegt, der die erste und zweite Gruppe von Gleichrichtern 46 und 48 und die Ladeleitung 23 umfaßt.

Durch einen zweiten Brückengleichrichter, der von der zweiten und dritten Gruppe von Gleichrichtern 48 und 50 gebildet wird, wird eine Erregerspannung von der Ausgangswicklung 42 des Generators 12 an die Ausgangsklemme 3^ des Leistungsteils 26 angelegt. Durch den Leistungstransistor 68 wird die Erregerspannung an die Feldwicklung 44 effektiv angelegt, wenn der Transistor 68 eingeschaltet oder voll leitend gemacht ist. Somit'wird eine Erregerspannung an die Feldwicklung 44 durch einen Erregerkreis angelegt, der die zweite und dritte Gruppe von Gleichrichtern 48 und 5tf und den Leistungstransistor 68 umfaßt.

Durch die Versorgungsleitung 36 wird die Erregerspannung von der Ausgangsklemme 34 des Leistungsteils 26 an die Eingangsklemme 28 des Steuerteils 24 angelegt. Unter der Annahme, daß der Treibertransistor bzw. Steuertransistor 52 in dem Staierteil 24 anfänglich ausgeschaltet oder vollständig nicht—leitend gemacht ist, wird durch den Vorspannungswiderstand 54 eine Steuerspannung von der Eingangsklemme 28 an die Ausgangsklemme 30 des Steuerteils 24 gelegt. Der Steuerleiter 38 koppelt die Steuerspannung

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von der Aus gangs klemme 30 des Steuerteils 24 an die Eingangskiemme 32 des Leistungsteils 26. Folglich ist die Steuerspannung an die Basis-Elektrode des Leistungstrsnsistors 68 angelegt, so daß der Transistor 68 eingeschaltet oder vollständig leitend gemacht wird. In diesem Zustand wird durch den Transistor 68 eine Erregerspannung an die Feldwicklung 44 angelegt. Folglich wächst die durch den Generator 12 an die Batterie 10 angelegte Ladespannung in der Größe.

Der Spannungsfühlerkreis 58 überwacht bzw. kontrolliert die Größe der Ladespannung und legt eine Signalspannung bzw. Nutzspannung an die Zenerdiode 56 mit einer Größe proportional zur Größe der Ladespannung an, wie sie durch die Spannungsteilerwirkung der Widerstände 60 und 62 bestimmt ist. Wenn die Größe der Ladespannung über ein vorbestimmtes Regelniveau ansteigt, steigt die Nutzspannung in der Größe über ein Bezugsniveau, das durch die Zündspannungs- bzw. Durchschlagsspannungp-Charakteristik der Zenerdiode 56 bestimmt ist. In Abhängigkeit von einer Zunahme der Nutzspannung in der Größe über den Bezugspegel wird die Zenerdiode 56 leitend gemacht, um eine Vorspannung an die Basis-Elektrode des Steuertransistors 52 anzulegen. Die Größe der Vorspannung ist gleich der Differenz zwischen der Größe der Nutzspannung und des Bezugsniveaus. Der Steuertransistor 52 wird angeschaltet oder vollständig leitend gemacht, wenn die Vorspannung in der Größe über ein Triggerniveau ansteigt, das durch die Spannungscharakteristik in Vorwärtsrichtung der Basis-Emitter-Verbindung des Transistors 52 bestimmt ist. In diesem Zustand verbindet der Steuertransistor 52 effektiv die Ausgangsklemme 30 des Steuerteils 24 mit Erde. In gleicher Weise verbindet der Steuerleiter 38 die Eingangsklemme 32 des Leistungsteiles 26 mit Erde.

Infolgedessen wird die Steuerspannung von der Basis-Elektrode des Leistungstransistors 68 weggenommen, so daß der Transistor 68 ausgeschaltet oder vollständig nicht—leitend gemacht wird. Durch den Leistungstransistor 68 wird in diesem Zustand die an die Feldwicklung 44 angelegte Erregerspannung wirksam unterbrochen. Infolgedessen nimmt die durch den Generator 12 an die Batterie 10 angelegte Ladespannung in der Größe ab.

Wenn die Größe der Ladespannung unter das vorbestimmte d

Hegelniveau abnimmt, sinkt die Signalspannung in der Größe unter das Bezugsniveau. In Abhängigkeit von einem Abfall der Nutzspannung in der Größe unter das Bezugsniveau wird die Zenerdiode 56 nichtleitend gemacht, um die Vorspannung von der Basiselektrode des Steuertransistors 52 wegzunehmen, so daß der Transistor 52 ausgeschaltet oder vollständig nicht—leitend gemacht wird. Infolgedessen lird der Leistungstransistor 68 angeschaltet oder vollständig leitend gemacht, wie es oben erläutert wurde, und die durch den Generator 12 an die Batterie 10 angelegte Ladespannung steigt wieder an. Dieser Zyklus wiederholt sich kontinuierlich, so daß die Ladespannung nominell auf dem vorbestimmten Regelniveau gehalten wird.

Der Filterkondensator 66 leitet Störrauschsignale von der Verbindungsstelle 64 auf Erde, so daß die Bauschsignale bzw. Störsignale daran gehindert sind, die Betriebsweise der Zenerdiode 56 zu beeinflussen. Die Uhterdrückungsdiode 70 beseitigt die Stoßspannung oder Hiickflusspannung, die durch die Feldwicklung 44 erzeugt wird, wenn der Leistungstransistor 68 ausgeschaltet oder voll-

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ständig nichtleitend gemacht wird. Der Steurteil 24 des Spannungsreglers ist elektrisch von der Batterie 10 mit Ausnahme des Spannungsfühlerkreises 58 getrennt. Jedoch sind, da der Spannungsfühlerkreis 58 direkt zwischen die positive und negäive Klemme 14 und 16 der Batterie 10 geschaltet ist, die Spannungswerte der Widerstände 60 und 62 so gewählt, daß die Stromentnahme durch den Spannungsfühlerkreis 58 auf ein Minimum herabgesetzt ist.

In Bezug auf ein Batterieladesystem kann gezeigt werden, daß die Lebensdauer der Batterie wesentlich verlängert ist, wenn die Größe der Ladespannung auf einernjoptimalen Laden!v.eau gehalten wird. Jedoch ist das optimale Ladeniveau umgekehrt proportional zur Temperatur der Batterie. Folglich nimmt das optimale Ladeniveau ab, wenn die Batterietemperatur ansteigt. Es ist infolgedessen wünschenswert, eine Temperaturkompensation bei dem Spannungsregler vorzusehen. D.h.,es ist wünscherarert, das Regelniveau des Spannungsreglers in Abhängigkeit von .Änderungen des optimalen Ladeniveaus aufgrund von Abweichungen der Batterietemperatur zu ändern. Bei dem ßegelniveau des in den Figuren 1 und 2 gezeigten Spannungsreglers sind Variationen in der Temperatur der Batterie 10 vollständig kompensiert. Da der Steuerteil 24 des Spannungsreglers in inniger Wärmeleitungsbeziehung mit der Batterie 10 angebracht ist, wird die Temperatur in dem Spannungsregler durch den wärmeempfindlichen Widerstand oder Thermistor 62 kompensiert, der einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist. Somit nimmt, wenn die Temperatur der Batterie 10 ansteigt, der Widerstand des Thermistors 62 ab und die durch den Spannungsfühlerkreis 58 erzeugte Signalspannung bzw. Nutzspannung nimmt in der Größe zu für eine

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gegebene Größe der Ladespannung. Infolgedessen wird das Regelniveau des Spannungsreglers entsprechend herabgesetzt, so daß die Variationen in der Temperatur der Batterie 10 in dem Spannungsregler kompensiert sind. Jedoch ist die Temperaturkompensation des Spannungsreglers nur teilweise wirksam.

Die Durchbruchsspannungs-bharakteriatik der Zenerdiode 56 und die Yorwärtsspannungs-Charakteristik der Basis-Emitterverbindung des Steuertransistors 52 sind ebenfalls temperaturabhängig. Folglich nimmt, wenn die Temperatur der Batterie 10 ansteigt, das Bezugsniveau, das durch die Durchbruchsspannungs-Charakteristik der Zenerdiode 56 bestimmt ist, ab und das Triggerniveau, das durch die Vorwärtsspannungs-Gharäkteristik der Basis-Emitterverbindung des Steuertransistors 52 bestimmt ist, zu. Durch die Temperaturempfindlichkeit sowohl der Zenerdiode 56 als auch des Steuertransistors 52 wird infolgedessen das Regelniveau des Spannungsreglers beeinflußt. Jedoch sind, da der Steuerteil 24· des Spannungsreglers in inniger Wämeleitungsbeziehung mit der Batterie 10 angebracht ist, die'Zenerdiode 56 und der Steuertransistor 52 direkt der exakten Temperatur der Batterie 10 ausgesetzt. Somit werden das Bezugsniveau und das Triggerniveau teilweise durch die Temperatur der Batterie 10 bestimmt. Infolgedessen kann die Temperaturcharakteristik des Thermistors 62 so gewählt werden, daß die Temperaturempfindlichkeit der Zenerdiode 56 und des Siaiertransistors 52 in dem Spannungsregler/kompensiert 1st.

ZusBbzlich wird, da der Leistungsteil- 26 des Spannungsreglers an dem Generator 12 außerhalb einer innigen

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w-ärmeleitungsbeziehung i.'L dem Steuerte.! 1 ?J> angebracht ist, die durch den Lcds;:ru;.£rjt-ransi»stor 6ί: ι·ηδ die Unterdrückungsdiode 70 err.'.:u--To Wärme nicht auf den Steuerteil 24 übertragen. FoI₁;!.ich sind die ,Durchbruchsspannungs-Charakteristik der '"^nercliode 56 und die Vorwärtsspannungs-Charakteristik der T Ui 3 is -Emitterverbindung des Steuertransistora 52 gegenüber der in dem Leistungsteil 26 erzeugten Wärme unempfindlich. Das Regelniveau des Spannungsreglers, wie es durch die spannungsempfindliehen Treiberkor; -\a ent en bzw. Steuerkomponenten des Steuerteils 24 V.ry;,ir,mt ist, wird infolgedessen nicht durch die wärme er:: cm; /·: den LeistungskompOuienten des Leistungsteils 26 beoiiifluiiG. Diese Eigenschaft ist dann von besonderer Bedeute.l£, wenn eine sehr genaue Spannungsregelung erreicht v.'eräon soll.

Es können an dem beispielsweise dargestellten Spannungsregler verschiedene Änderungen vorgenommen werden. So können zusätzliche Komponenten bei dem Spannungsregler vorgesehen werden, um seine Funktionsweise bzw. Leistungsfähigkeit zu verbessern oder ihn vor einer Beschädigung aufgrund einer Fehlfunktion zu schützen. In ähnlicher Weise können die'dargestellten Komponenten des Spannungsreglers aus den gleichen Gründen verschiedentlich modifiziert werden. Beispielsweise können der Steuertransistor 52 und der Leistungstransistor 68 durch Darlington-Verstärker vorgesehen werden, zur Erreichung einer hohen Stromverstärkung für eine Stabilisierung des Regelniveaus des Spannungsreglers über eine Änderung der Bedingungen der elektrischen Last und der Generatordrehzahl.

Bevorzugt sind der Steuerteil 24 und der Leistungsteil

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des Spannungsreglers als getrennte integrierte Schaltungen hergestellt. Der Steuerteil 24 kann dann an der Batterie 10 an/^wesentlichen jedem geeigneten Ort innerhalb oder außerhalb der Batterie 10 angebracht werden, solange er in inniger Wärmeleitungsbeziehung mit der Batterie TO^wxfa? In gleicher Weise kann der Leistungsteil 26 an jedem geeigneten Ort innerhalb oder außerhalb des Generators 12 angebracht werden, solange er außerhalb einer innigen Wärmeleitungsbeziehung mit dem Steuerteil 24 angebracht wird.

- Patentanspruch -

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Claims

Patentanspruch.

Batterieladesystem mit einem Generator, durch dessen Ausgangsleistung eine Batterie unter Steuerung eines Spannungsreglers geladen wird, der zumindest einen temperaturempfindlichen Widerstand aufweist, der in inniger Wärmeleitungsbeziehung mit der Batterie angebracht ist, dadurch gekennzeichnet , daß nur die Elemente eines Treiberabschnittes bzw. Steuerteils (24) des Spannungsreglers in Wärmeleitungsbeziehung an der Batterie(10) angebracht sind, während der Leistungsteil (26) des Spannungsreglers an dem Generator (12) außerhalb der Wärmeleitungsbeziehung mit der Batterie (10) angebracht ist.

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