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Schnelladeelnrichtun Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schnelladeeinrichtung
für Batterien mit einer Ladespannungsquelle und einer elektronischen Steuereinrichtung,
die ein bei einer vorgegebenen Ladespannung den Schnelladevorgang beendendea Schaltelement
aufweist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schnelladeeinrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die ein schnelles und sicheres Aufladen
der Batterien gestattet, und die einfach aufgebaut sein soll. Des weiteren soll
die Schnelladeeinrichtung beim Erreichen der Sollspannung der Batterie mit Sicherheit
den Schnelladevorgang beenden. Außerdem sollen in der Schnelladeeinrichtung Kontakte
vermieden werden.
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Die erfindungsgemäße Rufgabe wird dadurch gelöst, daß die Ladespannungsquelle
in an sich bekannter Weise eine Wechselspannungsquelle, einen Transformator und
eine Gleichrichteranordnung aufweist, an deren Ausgang eine wellige Ladespannung
auftritt, daß di e die Gleichrichteranordnung mit einer Reihenschaltung verbunden
ist, die zumindest aus der auf zuladenden Batterie und einem Thyristor besteht,
daß die Steuerelektrode des Thyristors an einen ebenfalls mit der Gleichrichteranordnung
verbundenen Steuerkreis angeschlossen ist, der ein den Steuerstrom des Thyristors
beeinflussendes elektronisches Steuerelement aufweist, das durch eine von einem
parallel zur Batterie angeschlossenen Spannungsteiler abgreifbare Steuerspannung
beeinflußbar ist, wobei das Steuerelement bis zum Erreichen der Sollspannung der
Batterie einen solchen elektrischen Zustand aufweist, daß während jeder Halbwelle
der Ladespannung der Steuerstrom des Thyristors zumindest zeitweise größer als der
zum Durchsteuern nötige Mindeststrom ist, und wobei das Steuerelement nach Erreichen
der Sollspannung der Batterie einen anderen elektrischen Zustand aufweist, so daß
der Steuerstrom des Thyristors kleiner als der zum erneuten Durchschalten des Thyristors
nötige Mindeststrom ist.
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Während jeder Halbwelle der Ladespannung sind zwei Zeitspannen gegeben,
in denen die Spannung zwischen der Anode
und Kathode des Thyristors
negativ oder gleich Null ist Während dieser Zeitspannen ist der Thyristor gesperrt.
Ist nun bei den weiteren Halbwellen die an der Steuerelektrode des Thyristors wirkende
Steuerspannung kleiner als die Schwellspannung, so bleibt der Thyristor weiterhin
gesperrt. Übersteigt nun die Steuerspannung den Schwellwert des Thyristors, so wird
der Thyristor aufgesteuert. Ist bis zu diesem Zeitpunkt die Spannung zwischen der
Anode und der Kathode des Thyristors positiv, so kann über die Anoden-Kathoden-Strecke
des Thyristors Strom fließen. Die zwischen der Anode und der Kathode des Thyristors
wirkende Spannung ergibt sich dabei aus der Differenz zwischen der welligen Ladespannung
und der jeweils an der Batterie anliegenden Spannung.
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Ist zu dem Zeitpunkt, in dem die Steuerspannung an der Steuerelektrode
des Thyristors größer als die Schwellwertspannung ist, die Spannung zwischen der
Anode und der Kathode des Thyristors negativ, so ist zwar der Thyristor vorbereitend
aufgesteuert. Es kann jedoch wegen der gesperrten Anoden und Kathoden-Strecke desselben
kein Strom fließen. Erst wenn die Spannung zwischen der Anode-und der Kathode des
Thyristors positiv wird, fließt der Ladestrom.
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Der Strom nimmt sinusförmig zu und nach Überschreiten seines Maximalwertes
wieder sinusförmig ab. Zu dem Zeitpunkt, in dem die Spannung der Anode und der Kathode
des Thyristors wieder zu Null wird, wird der thyristor nicht leitend. Bei
der
nächsten Halbwelle vollzieht sich der gleiche Vorgang.
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Mit zunehmender Spannung der Batterie wird die Stromfluzeit während
jeder Halbwelle der Ladespannung immer kürzer.
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Wenn nun die Sollspannung einer Batterie erreicht ist, wird das Steuerelement
so beeinflußt, daß während einer Halbwelle der Ladespannung der Steuerstrom stets
kleiner als der Mindestwert desselben ist. Wird dieser Zustand des Steuerelementes
aufrecht erhalten, 80 bleibt der Thyristor während der folgenden Halbwellen der
Ladespannung gesperrt.
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Durch die erfindungsgemäße Ladeeinrichtung ist der Vorteil gegeben,
daß während jeder Halbwelle der Ladespannung der Ladezustand der Batterie überprüft
wird, daß also die Gefahr eines Überladens beseitigt ist. Da beim Schnelladen während
jeder Halbwelle der Ladespannung der Thyristor auf- und zugesteuert wird, erhält
man eine pulsierende Aufladung der Batterie.
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Gemäß weiterer Ausbildung wird als Steuerelement ein Transistor verwendet,
dessen Kollektor-Emitter-Strecke parallel zur Steuerelektroden-Kathode-Strecke des
Thyristors angeordnet ist. Während des Schnelladevorganges ist der Steuertransistor
gesperrt, so daß an der Steuerelektrode des Thyristors die Ladespannung voll wirksam
ist.
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Zweckmäßigerweise ist zur aufzuladenden Batterie und zum Thyristor
ein Begrenzungswiderstand in Reihe geschaltet.
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Gemäß weiterer Ausbildung ist die Anode des Thyristors über einen
Rückkopplungswiderstand mit der Basis des Steuertransistors verbunden. Das hat den
Vorteil, daß nach Beendigung der Schnelladung der Batterie die an dem gesperrten
Thyristor anliegende Spannung auf die Basis des Steuertransistors rückgekoppelt
wird, s0 daß dieser mit Sicherheit durchgesteuert bleibt. Ein weiterer Vorteil liegt
darin begründet, daß hierdurch der Innenwiderstand der aufzuladenden Batterie berücksichtigt
ist.
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Um die Spannung zwischen Basis und Emitter des Steuertransistors zu
glätten, ist zwischen der Basis und dem Emitter desselben ein Kondensator vorgesehen.
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Gemäß weiterer Ausbildung ist parallel zu dem Kondensator ein weiterer
Widerstand geschaltet. In Verbindung mit dem Rückkopplungswiderstand bildet dieser
Widerstand einen Spannungsteiler, durch den die Kathoden-Anoden-Spannung des Thyristors
vermindert der Basis des Steuertransistors zugeführt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausbildung wird als Gleichrichteranordnung ein
Brückengleichrichter verwendet. Somit tritt an der Reihenschaltung bestehend aus
Thyristor, Begrenzungswiderstand und aufzuladender Batterie eine Polge von Sinushalbwellen
auf.
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Der parallel zur Batterie angeordnete Spannungsteiler weist zweckmäßigerweise
Widerstände und mindestens einen Gleichrichter oder eine Zenerdiode auf. Durch das
Vorsehen mindestens einer Zenerdiode oder mindestens eines Gleichrichters wird ein
exakteres Durchschaltverhalten des Steuertransistors erreicht.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der Spannungsteiler mit der
Basis eines weiteren Steuertransistors verbunden, dessen Emitter-Kollektor-Strecke
im Basiszweig des erstgenannten Steuertransistors angeordnet ist.
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Um ein einigermaßen temperaturkonstantes Verhalten der Ladeeinrichtung
zu erzielen, ist in vorteilhafter Weise im Spannungsteiler ein temperaturabhängiger
Widerstand vorgesehen.
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Da es meistens erwünscht ist, daß im Anschluß an die Schnellladung
eine Dauerladung erfolgt, ist gemäß weiterer Ausgestaltung parallel zu dem Thyristor
ein Widerstand angeordnet
In vorteilhafter Weise wird als Widerstand
eine Anzeigelampe verwendet, die nach Beendigung des Schnelladevorganges aufleuchtet
und die gleichzeitig als Arbeitswiderstand für die sich anschließende Dauerladung
dient.
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Weiterhin ist parallel zu dem Begrenzungswiderstand eine weitere Anzeigelampe
vorgesehen, die während des Schnellladevorganges aufleuchtet, und die nach Beendigung
des Schnelladevorganges erlischt.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren 1 bis
3 dargestellten Ausfthrungsbeispieles beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 die Schaltungsanordnung
der Ladeeinrichtung, Pig. 2 den zeitlichen Verlauf mehrerer Spannungen und Fig.
3 den zeitlichen Stromverlauf beim Ladevorgang.
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Gemäß Figur 1 ist mit 1 eine Wechselspannungsquelle, mit 2 ein Transformator
und mit 3 ein Brückengleichrichter bezeichnet. Die Eingangswicklung des Transformators
2 ist mit 4 und die Ausgangswicklung mit 5 bezeichnet. Zwischen den-mit 6 und 7
bezeichneten Kontaktstellen liegt eine gneichgerichtete, sich aus Sinushalbwellen
zusammensetzende Spannung an.
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Parallel zum Brückengleichriehter 3 ist eine Reihenschaltung vorgesehen,
die aus einer auzuladenden Batterie 8, einem Begrenzungswiderstand 9 und einen Thyristor
10 besteht. Die Steuerelektrode 11 des Thyristors 10 ist mit dem Kollektor eines
Steuertransistors 12 verbunden, dessen Emitter mit der Kathode 13 des Thyristors
in Verbindung steht. Im Kollektorkreis des Thyristors 12 ist ein Widerstand 14 vorgesehen,
der außerdem mit der Kontaktstelle 6 verbunden ist. Im Basiszweig des Steuertransistors
12 ist ein Widerstand 15 angeordnet. Von dem Widerstand 15 führt eine Verbindung
zu dem weiteren Widerstand 16, der im Kollektorkreis eines weiteren Steuertransistors
17 angeordnet ist. Der Emitter dieses weiteren Steuertransistors 17 ist ebenfalls
mit der Anschlußstelle 6 verbunden. Die Basis des Transistors 17 ist mit einem veränderbaren
Widerstand 18 verbunden, der mit Widerständen 19,20 sowie mit zwei Dioden 21 und
22 in Reihe geschaltet ist. Die Widerstände 18, 19 und 20 sowie die Diode 21 und
22 sind parallel zur aufzuladenden Batterie 8 angeordnet. Parallel zum Widerstand
19 ist ein temperaturabhängig sich ändernder Widerstand 23 angeordnet.
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Die Basis des ersten Steuertransistors 12 ist über den Widerstand
15 mit einem Spannungsteiler verbunden, der
aus einem Widerstand
24 sowie aus einem weiteren Widerstand 25 besteht. Der Widerstand 24 dient als Rückkopplungswiderstand
und ist mit der Anode des Thyristors 10 verbunden.
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Der Widerstand 25 steht mit der Anschlußstelle 7 in Verbindung. Parallel
zum Widerstand 25 ist ein Glättungskondensator 26 geschaltet. Durch diesen Kondensator
26 wird dafür Sorge getragen, daß die Welligkeit der an der Basis des Steuertransistors
12 auftretenden Spannung, insbesondere während seines durchgeschalteten Zustandes,
weitgehend beseitigt ist.
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Parallel zum Widerstand 9 ist eine erste Anzeigelampe 27 angeordnet.
Diese Anzeigelampe 27 dient zur Anzeige der Schnelladung. Parallel zur Anoden-Kathoden-Strecke
des Thyristors 10 ist eine weitere Anzeigelampe 28 angeordnet, die mit einem Gleichrichter
29 in Reihe geschaltet ist, der als Rückstromsicherung bei Abschaltung der Netzspannung
dient.
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Diese weitere Anzeigelampe 28 leuchtet auf, wenn der Schnellladevorgang
beendet ist und die Dauerladung stattfindet.
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Die Funktionsweise ist nun folgende: Es wird angenommen, daß die Batterie
8 völlig entladen ist.
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Wird die Wechselspannungsquelle 1 eingeschaltet, so tritt
zwischen
den Kontaktstellen 6 und 7 eine sinushalbwellenförmige Spannung auf. Zum Zeitpunkt
der Einschaltung der Ladespannungsquelle ist die Batteriespannung noch gleich Null.
Der zweite Steuertransistor 17 ist gesperrt, da die Basis-Emitter-Spannung, die
durch den Spannungsteiler 18 bis 22 bestimmt ist, unterhalb des Schwellwertes liegt.
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Da der zweite Steuertransistor 17 gesperrt ist, ist auch der erste
Steuertransistor 12 im Sperrzustand, weil seine Basis -Emit ter-Spannung unterhalb
der Schwellwertspannung liegt. Demzufolge ist die Steuerelektrode 11 des Thyristors
10 über den Widerstand 14 mit der Anschlußstelle 6 verbunden, so daß die sinushalbwellenförmige
Ladespannung direkt an der Steuetelektrode 11 wirken kann.
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Steigt nun die Ladespannung während einer Halbwelle von Null ausgehend
an, so wird nach einer bestimmten Zeit die Scbwellwertspannung zwischen der Steuerelektrode
11 und der Kathode 13 des Thyristors erreicht und überschritten. Demzufolge wird
der Thyristor 10 vorbereitend aufgesteuert.
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Er wirkt also nach Überschreiten der Schwellwertspannung wie ein normaler
Gleichrichter. Da angenommen wurde, daß zum Zeitpunkt der Einschaltung der Ladespannungsquelle
1 die Batteriespannung gleich Null ist, ist die AnodreKathoden-Strecke des Thyristors
10 zum Zeitpunkt der Überschreitung
der Schwellwertspannung in
Durchlaßrichtung gepolt. Dezzufolge fließt ein sinushalbwellenförmiger Ladestrom
durch die-Batterie 8, den Begrenzungswiderstand 9-und den Thyristor 10. Infolge
des Spannungsabfalls am Widerstand 9 leuchtet das Anzeigelämpchen 27 auf, durch
welches angezeigt wird, daß der Schnelladevorgang stattfindet.
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Wenn nun während der Dauer jeder Halbwelle die Spannung zwischen den
Anschlußstellen 6 und 7 nach Uberschreiten des Amplitudenwertes gleich der Ladespannung
der Batterie 8 wird, d. h. also, wenn die Spannung zwischen der Anode und der Kathode
des Thyristors 10 gleich Null wird, wird der Thyristor 10 nichtleitend. Am Ende
jeder Spannungshalbwelle wird weiterhin die Sohwellwertspannung des Thyristors 10
unterschritten. Der gleiche Vorgang wiederholt sich bei jeder nächstfolgenden Spannungshalbwelle
der Ladespannungsquelle.
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Gemäß Figur 2 hat die Batterie 8 einen bestimmten Spannungswert erreicht,
der jedoch noch unterhalb der Sollspannung liegt. Demzufolge befindet sich der Steuertransistor
12 noch im Sperrzustand und die Steuerspannung zeigt den Verlauf U 11,13 max. Ausgehend
vom Anfang einer Spannungshalbwelle der Ladespannung U 67 bzw. der Steuerspannung
U 11,13 max wird nach einer bestimmten Zeit die Schwellwertspannung U 10 s des Thyristors
10 erreicht und überschritten.
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Der Thyristor 10 ist demzufolge durchgesteuert. Es kann jedoch durch
den Thyristor 10 noch kein Strom fließen, da zum Zeitpunkt der Aufsteuerung des
Thyristors 10 an der Anode-Kathode-Strecke des Thyristors 10 eine Sperrspannung
anliegt. Diese Sperrspannung ergibt sich aus der Differenz der Spannung der Batterie
8 und dem zu diesem Zeitpunkt gegebenen Spannungswert der Ladespannung U 67. Erst
wenn die Spannung am Thyristor 10 positiv wird, fließt durch denselben der Ladestrom.
Dies ist der Figur 3 deutlich zu entnehmein.
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Nimmt die Ladespannung U 67 nach Überschreiten des Maximalwertes wieder
ab und erreicht die Ladespannung U 67 den Spannungswert der Batterie 8 so wird der
Thyristor 10 nicht leitend. Dieser Vorgang wiederholt sich bei jeder Halbwelle der
Ladespannung U 67. Mit steigender Spannung der Batterie 8 wird die Stromflußdauer
während jeder halbwelle der Madespannung U 67 kürzer.
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Wird nun die Sollspannung der Batterie 8 erreicht, so wird der zweite
Steuertransistor 17 aufgesteuert und demzufolge auch der erste Steuertransistor
12. Hierbei verringert sich die Steuerspannung U 11,13 kontinuierlich von ihrem
Spannungswert U 11,13 max auf ihren Wert U 11,13 min, wobei die
Amplitude
der Steuerspannung U 11,13 min unterhalb der Schwellwertspannung U 10 5 liegt. Mittels
des Kondensators 26 wird erreicht, daß die Spannung an der Basis des Steuertransistors
12 annähernd konstant bleibt. Da nun die Steuerspannung U 11, 13 stets unterhalb
der Schwellwertspannung U 10 s bleibt, kann der Thyristor 10 bei den nächsten Spannungshalbwellen
nicht mehr durchgesteuert werden. Demzufolge bleibt der Thyristor 10 bei den weiteren
Spannungshalbwellen der Ladespannung U 67 gesperrt.
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Die zwischen seiner Anode und Kathode anliegende Spannung wird durch
den Spannungsteiler 24 und 25 auf den Eingang des Steuertransistors 12 rückgekoppelt,
so daß der Transistor 12 mit Sicherheit aufgesteuert bleibt.
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Nunmehr leuchtet die Anzeigelampe 28 auf, die gleichæeitig als Begrenzungswiderstand
für den Dauerladevorgang dient.
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Mittels des temperaturabhängig veränderbaren Widerstandes 23 wird
erreicht, daß auch bei Demperaturachwankungen beim Erreichen der SolLspannung der
Batterie 8 der UhyriSior 10 mit Sicherheit abgeschaltet wird.
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Bei sehr stark entladenen Batterien kann es vorkommen, daß
sich
Polarität einer Zelle derselben umkehrt. Wird eine solche Batterie durch die Schnelladeeinrichtung
aufgeladen, so fließt beim Einschalten der Ladespannungsquelle zunächst ein überhöhter
Ladestrom. Dieser erhöhte Ladestrom hat zur Folge, daß an dem Thyristor 10 eine
derartig große Spannung abfällt, daß iibe den Rückkopplungszweig 24,25 der Steuertransistor
12 sofort durchgesteuert wird, was wiederum zur Folge hat, daß der Thyristor 10
bei den folgenden Spannungshalbfällen gesperrt bleibt.
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Dadurch wird die Schnelladung aufgehoben. Durch den Dauerladestrom
wird sodann eine richtig gepolte Batteriespannung aufgebaut. Ist dies geschehen,
so kann durch kurzzeitiges Unterbrechen der Verbindung der Ladespannungsquellen
mit den weiteren elektrischen Bauteilen der Schnellladevorgang eingeleitet werden.