DE2135939A1

DE2135939A1 - Schaltvorrichtung fuer akkumulatoren zur steuerung und ueberwachung des ladeund entladestromes

Info

Publication number: DE2135939A1
Application number: DE2135939A
Authority: DE
Inventors: Norbert Werding
Original assignee: Friemann and Wolf GmbH
Current assignee: Friemann and Wolf GmbH
Priority date: 1971-07-19
Filing date: 1971-07-19
Publication date: 1973-02-08
Also published as: FR2146247A1; IT959530B

Description

Patentanwalt Dr.-Ing. Günther Ackmann, 41 Duisburg, Claubergstraße 24

22.1009/Schli. 7.7.1971

Friemann & Wolf Gr.m.b.H., 41oo Duisburg, Meidericher Str. 6-8

Schaltvorrichtung für Akkumulatoren zur Steuerung und Überwachung des Lade- und Entladestromes

Die Erfindung betrifft eine Schaltvorrichtung für Akkumulatoren, insbesondere Silber-Zink-Akkumulatoren, zur Steuerung und Überwachung des Lade- und Entladestromes, wobei der Ladestrom in Abhängigkeit von der Akkumulatorenspannung bei Erreichen eines oberen Sollwertes abgeschaltet und bei Unterschreiten eines unteren Sollwertes eingeschaltet und der Entladestrom bei Unterschreiten eines Sollwertes abgeschaltet wird, und hat eine besonders zweckmäßige Ausbildung zum Gegenstand, durch welche ein besonders einfacher und platzsparender Aufbau ermöglicht wird.

Zum Schutz von Überladungen und Tiefentladungen von Akkumulatoren sind zahlreiche Schaltvorrichtungen bekannt, welche aus elektronischen Bauteilen bestehen. Die zum Schutz gegen ein Überladen bekannten Schaltvorrichtungen sind in der Regel dem Ladegerät zugeordnet, welches den Ladestrom liefert. Schaltvorrichtungen zum Schutz gegen Überladung sind entweder selbständige Bauteile oder den Verbrauchern zugeordnet. Alle diese Schaltvorrichtungen sind umständlich im Aufbau und haben einen großen Platzbedarf.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltvorrichtung für den Überladeschutz und Tiefentladeschutz zu entwickeln, welche bei einem einfachen Aufbau und bestmöglicher Punktionsfähigkeit einen besonders geringen Platzbedarf hat.

209888/0370 ORinwA, ,

ORIGINAL INSPECTED

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen einstellbaren Spannungsteiler für den oberen Sollwert der Ladespannung, der über ein digitales Bauelement mit NAND-Punktion sowie einen einstellbaren Spannungsteiler für den unteren Sollwert der Ladespannung, der über ein digitales Bauelement mit OR-Funktion auf einen FLIP-FLOP-Schalter einwirkt, welcher über Verstärkertransistoren einen in den Ladestromkreis eingebauten Schalttransistor schaltet, während ein dritter einstellbarer Spannungsteiler für den unteren Sollwert der Entladespannung vorgesehen ist, der auf ein digitales Bau-. element mit Schmitt-Trigger-Funktion einwirkt, welches über Verstärkertransistoren einen in den Entladestromkreis eingebauten Schalttransistor schaltet, gelöst.

Diese neue Schaltvorrichtung hat den Vorteil, daß sie bei kleinstem Platzbedarf den Akkumulator sowohl gegen ein Überladen wie auch gegen eine Tief entladung schützt. Der Platzbedarf ist so gering, daß die Schaltvorrichtung dem Akkumulator unmittelbar zugeordnet werden kann, beispielsweise durch Anbringung am Gehäusedeckel o.dgl.. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß nur eine Schaltvorrichtung sowohl den Schutz gegen Überladung wie auch gegen Tiefentladung übernimmt. Die Ladezeit bis zur Volladung ) ist sehr kurz und der hohe Ladestrom wird bei Erreichen des oberen Sollwertes mit Sicherheit ausgeschaltet, so daß eine überladung der Zellen mit Sicherheit vermieden wird.

Zweckmäßig ist der Ladestromkreis und der Entladestromkreis wechselweise über eine Kabelsteckverbindung mit dem Ladestromnetz bzw. einem Verbraucher verbunden, wobei der negative Pol der Batterie über eine Polbrücke der Kabelstecker mit dem negativen Anschlußpol der Schaltvorrichtung in Verbindung kommt. Durch eine solche Ausgestalte^ wird erreicht,

209886/0370

daß der Akkumulator durch die Schaltvorrichtung nicht entladen wird, wenn sie nicht an das Ladestromnetz bzw. einen Verbraucher angeschlossen ist. Nur wenn der Stecker eingeführt ist, fließt von der Batterie Strom zur Schaltvorrichtung, Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Ladekabel für den positiven Pol mit einem Ladewiderstand versehen ist. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, daß die Wärmeentwicklung außerhalb der Schaltvorrichtung erfolgt, so daß eine unzulässige Erwärmung der elektronischen Bauteile vermieden wird.

Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles näher dargestellt, und zwar

Figur 1 das Schaltbild der Schaltvorrichtung, Figur 2 die Pollage des Steckers vom Ladekabel und Figur 3 die Pollage des Steckers vom Entladekabel.

Zum Laden der Batterie wird die Schaltvorrichtung an den öleichstromgenerator G angeschlossen. Dies geschieht über ein Ladekabel, dessen Leitungen mit 1 bis 3 bezeichnet sind. Die positive Leitung 1 ist mit einer Diode D1 und einem Ladewiderstand RL versehen. Über eine Steckverbindung mit den Polen Io bis 12 werden diese Leitungen mit der positiven Ladeleitung 4 und der negativen Ladeleitung 5 verbunden. Die Pole 11, 12 sind, wie Figur 2 zeigt, durch eine Polbrücke miteinander verbunden, wodurch der Pol 11 mit der negativen Leitung 6 für die Schaltvorrichtung in Verbindung steht. Außerdem ist noch eine positive Batterieleitung 7 vorgesehen.

Die Schaltvorrichtung für den Ladevorgang besteht aus zwei einstellbaren Spannungsteilern. Der eine Spannungsteiler ist aus den Widerständen R1, R2 und einem einstellbaren Widerstand P1 aufgebaut und der andere aus den Widerständen R3, R4 und dem einstellbaren Widerstand P2.

209886/0370

-A-

An beide Spannungsteiler ist ein digitales Bauelement IC angeschlossen. Während der Spannungsteiler Rl, 12, Pl den oberen Sollwert der Ladespannung bestimmt, läßt sich mit dem anderen Spannungsteiler R3, R4, P2 der untere Sollwert einstellen, bei dem der Ladestrom wieder eingeschaltet werden soll. Der Spannungsteiler Rl, R2, Pl wirkt über ein digitales Bauelement mit NAND-Funktion und der andere Spannungsteiler R3, R4, P2, welcher den unteren Sollwert der Ladespannung bestimmt, über ein digitales Bauelement mit OR-Funktion auf einen FLIP-FLOP-Schalter ein. Es handelt sich um das mit IC 1 bezeichnete digita-. Ie Bauelement, dessen Symbole mit G-I bis G4 bezeichnet sind. Der FLIP-FLOP-Schalter, der von Gl und G4 gesteuert wird, ist ein Teil deines zweiten digitalen Bauelements, welches mit 1/2 IC 2 bezeichnet ist. Die Symbole heißen G5 und G6. Der andere Teil dieses IC2-Gliedes findet für die Entladung Verwendung und wird weiter unten näher beschrieben. Der FLIP-FLOP-Schalter wirkt über Verstärkertransistoren Tl, T2 auf einen in den Ladestromkreis eingebauten Schalttransistor T3 ein, denen Widerstände R5 bis R8 zugeordnet sind.

Zwischen der negativen Leitung 6 der Schaltvorrichtung und der positiven Batterieladeleitung 14 ist ein weiterer ver- ί stellbarer Spannungsteiler R9, Rio, P3 eingebaut. An diesen ist ein digitales Bauelement mit Schmitt-Oügger-Funktion angeschlossen. Es handelt sich hierbei um einen Bestandteil des IC2-Gliedes, welches außerdem den FLIP-FLOP-Schalter bildet. Die Schmitt-Trigger-Funktion kommt durch Rückkopplung mittels des Widerstandes RIl zustande. Die Teile dieses digitalen Bauelements sind mit G7 und G8 bezeichnet. Durch den Schmitt-Trigger erhält die Schaltung zwei stabile Zustände. Steigt die am Eingang anliegende Spannung über einen durch den Spannungsteiler vorgegebenen Schwellwert an, so kippt die Schaltung um und fällt nach Überschreiten

9886/0370

dieses Schwellwertes wieder in den Grundzustand zurück. Die Teile G7, G-8 haben im wesentlichen eine Verstärkerfunktion. Dieser Schmitt-Trigger schaltet über Verstärkertransistoren T4, T5, denen die Widerstände R12 bis R 15 zugeordnet sind, einen in den EntladeStromkreis eingebauten Schalttransistor T6. Der Verbraucher ist mit 15 bezeichnet.

Die Wirkungsweise der vorstehend beschriebenen Schaltvorrichtung ist folgende:

Zum Laden des Akkumulators wird das Ladekabel mit seinen Leitungen 1 bis 3 durch eine Steckverbindung mit der Schaltvorrichtung verbunden, wobei die mit dem Ladewiderstand RL versehene Leitung 1 mit dem positiven Pol Io und die Leitung 3 mit dem negativen Pol 12, die als Steckpole ausgebildet sind, in Verbindung kommt. Außerdem steht über die Polbrücke auch der Steckpol 11 mit dem negativen Pol in Verbindung. Der Ladewiderstand RL im Ladekabel besteht aus Widerstandsdraht, der sich während des Ladens aufgrund der hohen Verlustleitung erwärmt; da jedoch das Ladekabel sich außerhalb der Schaltvorrichtung befindet, ist eine günstige Wärmeableitung gewährleistet und eine Beeinträchtigung der elektronischen Bauteile wird vermieden.

Nach dem Einschalten fragt die Schaltvorrichtung zunächst den Batteriezustand ab durch einen Soll-Istwert-Vergleich. Ist der untere Sollwert des Ladestromes unterschritten, so wird der Schaltablauf eingeschaltet.-Wenn alse die Batterie entladen ist, wird durch die OR-Funktion der Schaltvorgang ausgelöst. Der FLIP-PLOP-Schalter (Speicher) kippt in seinen ersten stabilen Zustand und schaltet über die Transistoren Tl, T2 den Schalttransistor T3 durch. Der Akkumulator wird nun geladen.

209886/Π370

Beim Laden wird die Batteriespannung durch den Spannungsteiler laufend kontrolliert. Wird der obere Sollwert der Akkumulatorenspannung erreicht, so wird der PLIP-FLOP-Schalter über die NAND-Funktion in seinen zweiten stabilen Zustand geschaltet und es erfolgt eine Ladungsunterbrechung. Zugleich übernimmt der weitere Spannungsteiler R3> R4, P2 die Überwachung des Akkumulators. Wird durch eine mögliche Selbstentladung o.dgl. der untere Sollwert erreicht, so erfolgt eine Wiederaufladung des Akkumulators, die nun wieder durch den ersten Spannungsteiler überwacht wird.

Durch die wechselseitige überwachung mittels OR-Punktion und Soll-Istwert-Vergleich im ersten Spannungsteiler und der NAND-Funktion sowie SoIl-Istwert-Vergleich im zweiten Spannungsteiler ist ein optimaler Akkumulatorenzustand
gewährleistet.

Zur Entladung wird das Entladekabel in die Pole Io bis 12 gesteckt. Die BatterJaspannung wird bei der Entladung über den Spannungsteiler R9, Rio, P3 abgefragt. Beträgt die
Zellenspannung beispielsweise bei einer Silber-Zink-Zelle 1,56 Volt, so steuert der Schmitt-Trigger die Transistoren T4 und T5 auf und der Schalttransistor T6 wird geschlossen, * so daß ein Entladestrom fließen kann. Dem Verbraucher steht dann Akkumulatorenstrom zur Verfügung. Sinkt die Spannung jedoch auf 1,3 V/Zelle, so sperrt der Schmitt-Trigger die Transistoren T4, T5 und damit auch den Schalttransistor T6. Selbst wenn nun die Spannung des Akkumulators durch Regenerieren wieder ansteigt, wird kein neuer Schaltvorgang
ausgelöst.

209888/0370

Der an dem einstellbaren Widerstand Pl eingestellte Spannungsschwellwert entspricht der Batteriespannung, bei der die Spannung unterbrochen wird (unterer Sollwert des Ladestromes). Durch die Einstellung mit dem einstellbaren Widerstand P2 wird der Spannungsschwellwert festgelegt, der eine Ladung der Batterie einleitet. Das Erreichen des einen Schwellwertes stellt den logischen Zustand 1 und das Unterschreiten den logischen Zustand 0 dar. Stellt sich an den Ausgangsleitungen von Pl und P2 der Zustand 0 ein, so entsprechen die Eingangssignale an Gl, G2 und G3 gleich 1 und an G4 gleich 0. Der Ausgang von G4 ist für den stabilen Schaltzustand des FLIP-FLOP-Sehalters maßgebend. Damit ist G6 gleich 1, was zur Folge hat, daß Tl, T2 und T3 leiten und die Batterie geladen wird. Die Kontrolle der Batterieladung erfolgt durch GrI.

Steigt die Batteriespannung langsam an, so wird an der Ausgangsleitung von P2 der logische Zustand von 0 auf 1 geändert, d.h. G2, G3 und G4 werden 1, während Gl gleich bleibt. An den Eingängen des FLIP-FLOP-Schalters wird eine "1^M registriert, ohne daß der Schaltzustand geändert wird. Tl, T2, T3 sind weiterhin durchgesteuert und die Batterie wird geladen. Sobald der Zustand toi der Ausgangsleitung von Pl sich von 0 auf 1 ändert, werden Gl, G2 und G3 gleich 0 und G4 gleich 1. Der FLIP-FLOP-Schalter ändert seinen Schaltzustand und Tl, T2 und T3 werden gesperrt. Der Ladevorgang ist unterbrochen und G2, G3> G4 kontrollieren den Zustand des Akkumulator-s.

Die Entladung wird über den Spannungsteiler R9, Rio, P3 überwacht. Wird der Akkumulator pro Zelle auf eine Spannung von 1,3 Volt entladen, sperren^wG7 und G8, welche durch Rückkopplung von RIl die Wirkungsweise eines Schmitt-Triggers (Schwellwertschalters) haben, die Transistoren T4, T5 und T6.

209886/03?α

9 1 O ξ Q Q Q

£ I j x) ei ο c!

Die Spannung des Akkumulators steigt pro Zelle auf 1,56 Volt an, ohne daß ein Einschalten wieder möglich ist. Hierdurch wird der Akkumulator vor einer frühzeitigen Zerstörung geschützt.

Durch die Polbrücke an den Kabeisteckern wird erreicht, daß bei herausgezogenem Stecker eine Entladung des Akkumulators durch Verbrauch an der Schaltvorrichtung stattfindet". Nur wenn der Stecker eingeführt ist, fließt ein Strom von der Batterie über die Schaltvorrichtung. Da der FLIP-FLOP-Schalter beim Ausziehen des Steckers seine Gedächtnisfunktion verliert, da die Schaltvorrichtung stromlos wird, wird dem FLIP-FLOP-Schalter beim erneuten Einstecken über ein besonderes, in der Zeichnung nicht dargestelltes RC-Glied, ein Setzimpuls gegeben, der ihn in seine Ladefunktion überführt. Beim Einstecken wird also zunächst ein LadeVorgang ausgelöst, woraufhin dann sofort die Schaltvorrichtung mit ihren vorstehend aufgeführten Funktionen wirksam wird, die zunächst den Battariezustand überprüft und nun entweder den Ladestrom aufrechterhält oder ihn bei Erreichen des oberen Sollwertes abschaltet.

? 0.9 8 86/03

Claims

Patentanwalt Dr.-Ing. Günther Ackmann, 41 Duisburg, Claubergstraße 24

22.1oo9/Schli. 7.7.1971

Patentansprüche:

lJ Schaltvorrichtung für Akkumulatoren, insbesondere
Silber-Zink-Akkumulatoren, zur Steuerung und Überwachung
des Lade- und Entladestromes, wobei der Ladestrom in Abhängigkeit von der Akkumulatorenspannung bei Erreiphen
eines oberen Sollwertes abgeschaltet und bei Unterschreiten eines unteren Sollwertes eingeschaltet und der Entladestrom bei Unterschreiten eines Sollwertes abgeschaltet wird, gekennzeichnet durch einen einstellbaren Spannungsteiler (Rl, R2, Pl) für den oberen Sollwert der Ladespannung, der Über ein digitales Bauelement mit FAND-Funkti on sowie einen
einstellbaren Spannungsteiler (R3, R4, P2) für den unteren Sollwert der Ladespannung, der über ein digitales Bauelement mit OR-Funktion auf einen FLIP-FLOP-Schalter einwirkt, welcher über Verstärkertransistoren (Tl, T2) einen in den Ladestromkreis eingebauten Schalttransistor (T3) schaltet,
während ein dritter einstellbarer Spannungsteiler (R9, Rio, P3) für den unteren Sollwert der Entladespannung vorgesehen ist, der auf ein digitales Bauelement mit Schmitt-Trigger-Funktion einwirkt, welches über Verstärkertransistoren (T4, T5) einen in den Entladestromkres eingebauten Schalttransistor (T6) schaltet.
2. Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestromkreis und der Entladestromkreis wechselweise über eine Kabelsteckverbindung mit dem Ladestromnetz bzw.
einem Verbraucher verbunden ist, wobei der negative Pol der Batterie über eine Polbrücke der Kabelstecker mit dem negativen Anschlußpol der Schaltvorrichtung in Verbindung kommt.

2 1 3 B Π 3 9 - ίο -
3. Schaltvorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ladekabel für den positiven Pol mit einem Ladewiderstand versehen ist.