DE2140831C3

DE2140831C3 - Schaltungsanordnung zur induktiven Aufheizung von Akkumulatoren, insbesondere von Bleiakkumulatoren

Info

Publication number: DE2140831C3
Application number: DE2140831A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl.-Phys. Dr. 3001 Berenbostel Brinkmann; Dietrich 3003 Ronnenberg Friedrichs
Original assignee: VARTA Batterie AG
Current assignee: VARTA Batterie AG
Priority date: 1971-08-14
Filing date: 1971-08-14
Publication date: 1975-03-20
Also published as: DE2140831A1; FR2149394B2; JPS5326288B2; BR7205534D0; LU65896A1; IT1044888B; DE2140831B2; BE787549R; NL7210892A; ZA725483B; SE392002B; JPS4827234A; GB1407607A; CH540572A; FR2149394A2; TR17122A

Description

3. Schaltungsanordnung nach den Ansprü- Hilfsgeneratorsätze ein relativ großes Volumen und chen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewicht benötigen und sie außerdem störende Ge-Einzelwicklungen der induktiven Heizanlage die rausche und Abgase erzeugen. Dazu kommt, daß ihre Heizwicklungen verschiedener Heizkästen bzw. Lebensdauer begrenzt ist.

Akkumulatoren sind. 15 Im Hauptpatent ist des weiteren vorgeschlagen

worden, die Energieversorgung der induktiven Heizanlage aus einem statischen Wechselrichter vorzunehmen. Die Gleichstromleistung für diesen Wechelrichter kann aus dem Gleichstrombordnetz des Fahr-30 zcuges entnommen werden. Hierdurch ist es möglich,

die induktive Heizanlage über den statischen Wechselrichter dann zu betreiben, wenn das Bordnetz unter Spannung steht und Energie abgeben kann. Ob das Bordnetz dann letztlich die Energie aus dem 35 Bordnetzgenerator, aus einem Hilfsaggregat, das sich an Bord befindet, über eine externe Gleichstrom-

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung quelle, z. B. Ladegerät, oder gar aus der am Bordzur Durchführung des Verfahrens nach Patent netz liegenden und zu beheizenden Batterie nimmt, 1918 726, bei dem zum Anwärmen von Akkumula- ist gleich. Hierdurch ist es möe'ich. die induktive toren mittels elektrischen Stroms die Elektrodenplat- 40 Heizanlage zur Aufwärmung der Starterbatterie auch ten des Akkumulators induktiv durch Einwirken dann zu betreiben, wenn der Antriebsmotor des eines magnetischen Wechselfeldes erwärmt werden Fahrzeuges noch nicht in Betrieb ist.
und die Heizleistung über einen statischen Wechsel- Statische Wechselrichter der für die Batterieaufrichter aus dem Gleichstrombordnetz des Fahrzeuges wärmung erforderlichen Leistung haben jedoch den entnommen wird. ₄₅ Nachteil, daß sie in ihrer technischen Ausstattung

Anlagen zur induktiven Aufwärmung von Starter- sehr aufwendig und außerdem sehr schwer und sehi batterien gemäß dem Hauptpatent 1 918 726, wie sie voluminös sind.

besonders in schweren Militärfahrzeugen, aiber auch Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eint

in zivilen Fahrzeugen, eingebaut werden, benötigen Schaltungsanordnung zu entwickeln, bei der die vorzum Betrieb eine elektrische Wechselstromleitung 50 stehenden Nachteile vermieden werden,
mit einer Frequenz von einigen 100 bis einigen Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Er-

1000 Hz. Im Hauptpatent ist bereits vorgeschlagen, findung dadurch gelöst, daß die Wicklung der indukdiese Wechselstromleistung aus einer Drehstrom- tiven Heizanlage gleichzeitig die für die Funktion un· lichtmaschine des betreffenden Kraftfahrzeuges zu bedingt erforderliche Induktivität des die Heizanlagt entnehmen. Hierbei werden die Zuleitungen der in- ₅₅ mit Energie versorgenden Wechselrichters darstellt, duktiven Heizungsanlage direkt — also vor den Induktive Heizanlage und Wechselrichter sind zi

Clcichrichterdiodcn — an einen oder an alle drei einer Einheit integriert. Grundsätzlich ist diese Inier Wicklungsstränge der Drehstromlichtmaschine ge- gration sowohl bei zwei- und mchrpulsigcn Mittelführt, punktschaltungen ass auch bei Brückenschaltungei

Auf diese Weise kann der induktiven Heizanlage 60 möglich.

entweder Wechselstrom- oder Drehstromleistung zu- Die F i g. 1 b, 2 b und 3 b verdeutlichen diese Inte

geführt werden. gration an Hand eines zwei- bis dreipulsigen Wech

Ein Nachteil dieser Anordnung ist, daß die Fre- selrichters in Mittelpunktschaltung, sowie eine:

quenz der Wechsel- oder Drehstromleistung sich Wechselrichters in Brückenschaltung, während di<

nach der Drehzahl des Generators richtet und da- 65 F i g. 1 a, 2 a und 3 a einen zwei- bzw. dreipulsiger

durch von der Drehzahl des Antriebsmotoirs abhän- Wechselrichter in Mittelpunktschaltung und einet

gig ist. Wechselrichter in Brückenschallung mit dem übli

Mit der Frequenz der Wechsel- oder Drehstromlei- chen Transformator zeigen.

Durch das Ersetzen des üblichen Transformators rungskapazität und der Induktionswicklung im Tem-

Jurch den bzw. die Heizkästen der induktiven Heiz- pcrierkasten ist es unter Umständen möglich_v die in

»nlage ist die Belastungsart für den Wechselrichter den Zeichnungen I a und 2 a gezeigten Seriendioden

überwiegend ohmsch geworden. Das wird klar, wenn fortzulassen.

man die Heizkästen und die sich darin befindlichen 5 Die Seriendtoden sollen normalerweise ein RückBatterien im Zusammenhang als Transformator be- schwingen der Kommutierungsenergie auf den Lastirachtet, dessen Primärwicklung durch die Wicklung kreis verhindern. Diese Aufgabe entfällt, wenn durch des Heizkastens und dessen Sekundärwicklung durch eine entsprechende Dimensionierung der Korr.mudie Gitter der Batterien gebildet wird. Gleichzeitig tierungskapazität und der Heizkasteninduktivität die stellen die Gitter der Batterie Kurzschlußwindungen io magnetische Energie in den Heizkästen so groß ist, dar, die vornehmlich als ohmsche Belastung wirken. daß ihre Umladung auf den Kommutterungskonden-

Die durch die Integration der Heizkästen in den sator ausreicht, trotz teilweisen Rückschwingens eine

Wechselrichter erreichten günstigen, vornehmlich genügend große Schonzeit für die Thyristoren zu

ohmschen Belastungsverhältnisse erlauben ein Weg- schaffen.

lassen der in den Zeichnungen Ia, 2 a und 3 a ge- 15 Bei einer Abstimmung von Induktivität der Heizzeigten Freilaufdioden. Ohne auf die Funktion eines wicklung, der Kapazität des Kommutierungskon-Wechselrichters in diesen Schaltungsanordnungen densators und der Zündfrequenz derart, daß die eingehen zu wollen, sei darauf hingewiesen, daß Zündfrequenz in der Größenordnung der Resonanz-Freilaufdioden über dem Hauptventil bei Mittel- frequenz des aus Kommutierungskapazität und Heizpunktschaltungen den Nachteil haben, daß sie die 20 wick'ungsinduktivität gebildeten Schwingkreises Spannung über dem Kommutierungskondens-uor und liegt, werden angenähert Oi.'.imale Verhältnisse ersomit über der Ausgangsinduktivitä' begrenzen. reicht. Hierbei fällt der Zeitpunkt des Zündens des Durch diese Begrenzung wird die Schonzeit der Thy- Thyristors zusammen mit dem Zeitpunkt, an dem die ristoren verringert. Dieser Nachteil kann primär nur Energie der Induktivität voll auf den Kommutiedurch eine Vergrößerung der Kommutierungskapazi- 25 rungskondensator aufgeladen ist und letzterer die tat behoben werden. höchste Spannung hat. Da der Kommutierungskreis

Besteht erfindungsgemäß eine Wicklung der in- eine sehr geringe Induktivität hat, ist bei der durch duktiven Heizanlage aus mehreren galvanisch mitein- die Zündung des Thyristors erfolgte Parallelschalander verbundenen Einzelwicklungen, so ergibt sich tung des Kommutierungskreises mit dem Lastkreis die Möglichkeit verschiedener Schaltungsanordnun- 30 das Rückschwingen der Energie des Kommutierungsgen, kondensators über dem Lastkreis relativ gering.

Sollen mehrere Akkumulatoren angewärmt wer- Diese anzustrebenden Verhältnisse werden durch

den, so ist es vorteilhaft, die Heizkästen (Einzelwick- die Tatsache begünstigt, daß induktive Heizanlagen

Jungen) so anzuordnen, daß bei den Mittelpunkt- für die Aufheizung von Akkumulatoren entsprc-

schaltungen symmetrische, magnetisch voneinander 35 chend dem Patent 1 918 726 vorteilhaft bei Frequen-

unabhängige Aufteilung ihrer Induktivität gegeben zen arbeiten, die in der gleichen Größenordnung lie-

ist. gen, wie die auf Grund der Dimensionierung der

Bei e'nem zweiphasigen Wechselrichter in Mittel- Bauelemente (Heizwicklungen) sich zwangläufig er-

punktschaltung (Bild la) werden zwangläufig die gebenden Resonanzfrequenzen.

Induktivitäten in beiden Phasen vom gleichen ma- 40 Bei den vorliegenden Verhältnissen liegt auch die

gnetischen Fluß durchflossen. Das hat zur Folge, daß Verwendung eines Wechselrichters in Brückenschal-

während des Zeitpunktes der Kommutierung, zu dem tung nahe (A b b. 3 a und 3 b).

in beiden Phasen Ströme in entgegengesetzter Rieh- Abb. 3 a zeigt die übliche Schaltung eines zwangs-

tung fließen, das magnetische Feld aufgehoben wird kommutierten Wechselrichters. Der Aufwand an lei-

und der Widerstand des Transformators aut den 45 stungsfähigen Halbleiterbauelementen ist groß. Dazu

ohmschen Betrag absinkt. Die hierdurch entstehende kommt der notwendige Transformator,

starke Stromspitze im Gleichstromkreis wird üblich Wegen der konstanten Last und der in Grenzen

durch eine Wechselrichtereingangsinduktivität be- geringen Anforderung an die Frequenzgenauigkeit

grenzt. Durch das anschließende Umsetzen der ma- empfiehlt es sich, von einem zwangskommutiertcn

gnetischen Energie dieser Induktivität in elektrische 50 auf einen selbstkommutierenden Wechselrichter

wird jedoch die Spannung am Kommuticrungskon- überzugehen. B i 1 d 3 b zeigt einen solchen selbst-

densator und somit die Thyristorsperrspannung er- kommutierenden Wechselrichter in Brückenschal-

höht. Dieser Nachteil kann weitgehend vermieden tung mit integrierten Temperierkästen, der nach dem

werden, wenn man die aus der Größe der Eingangs- Schwingkreissyslem arbeitet.

induktivität zu berechnende Kapazität zur Stromglät- ₅₅ Ein solcher Schwingkreis-Wechselrichter hat dann

tung vor den Wechselrichter schaltet (s. B i 1 d 1 a). sehr günstige Betriebsverhältnissc. wenn er in Reso-

Der Aufwand zur Stromglättung ist dann jedoch nanz arbeitet.

nicht unerheblich. Die gleichen Verhältnisse lassen Bei Abstimmung der HcizkasteninduktiviSiit, dei

sich sinngemäß auch auf den dreiphasigen Wechsel- Kapazität und der Betrit'^.'requenz auf den Reso

richter beziehen. 60 nanzfall wird die Dämpfung des Kreises nur durch di£

Durch die magnetische Trennung der beiden Pha- Eigenverluste des Kreises gebildet; diese werden abci

sen voneinander, wie es durch eine Hcizkastenveitei- vornehmlich durch den ohmschen Anteil des Wider

lung nach B i id 1 b und2b möglich wird, vermeidet Standes der Temperierkästen bestimmt. Bei einen man die Nachteile der Feldaufhebung während der Wechselrichter in dieser Schaltungsart können bis z\

Kommutierung unci erhält dadurch geringere Strom- 65 90 % der ihm zugeführten elektrischen Leistung al

spitzen, wodurch der Aufwand für eine Glättung re- Nutzleistung zur Erwärmung von Batterien in dei

duziert wird oder g«u ganz entfallen kann. Temperierkästen ausgenutzt werden.

Durch eine optimale Auslegung der Konimutic- Zusammenfassend kann gesagt werden, daß dl·

Integrierung der Heizwicklungen in den Wechselrichter eine erhebliche Einsparung an verschiedenen Bauelementen und damit erhebliche Raum-, Gewichts- und Kosteneinsparungen bringt. Darüber hinaus sind die bei der Wechselrichtung des Stromes auftretenden Verluste relativ klein, so daß die im tive Batterieaufwärmung insgesamt gesehen einem guten Wirkungsgrad arbeiten kann. Außer ergeben sich eine Reihe von Verbesserungen im e trischen Betriebsverhalten der kompletten Anlage

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

htung wird jedoch die Intensität der induktiven Heiz- Patentansprüche· anlage veröndert; sie ist daher also von der Drehzahl des Antriebsmotors abhängig und kann in der Praxis

1. Schaltungsanordnung zur Durchführung des zwischen einem niedrigen Wert bei Leerlauf und Verfahrens nach Patent 1918 726. bei dem zum 5 einem höheren Wert bei Höchstdrehzahl des Motors Anwärmen von Akkumulatoren mittels elektri- schwanken.

sehen Stroms die Elektrodenplatten des Akkumu- Ein weiterer Nachteil ist, daß die induktive Hei-

lators induktiv durch Einwirken eines magneti- *ung nur in Betrieb genommen warden kann, wenn

sehen Wechselfeldes erwärmt werden und die der Aatriebsmotor bereits lauft. Eine Aufheizung der

Heizleistung über einen statischen Wechselrichter io Starterbatterie über die induktive Heizanlage ist also

aus dem Gleichstrombordnetz des Fahrzeuges bei stehendem Antriebsmotor ment möglich,

entnommen wird, dadurch gekenn/eich- Es ist zum anderen vorgeschlagen, die induktive

net, daß die Wicklung der induktiven Heizan- Heizung mit Drehstrom- oder Wechselstromleistung

lage gleichzeitig die für die Funktion der Wech- aus einem Hilfsaggregat, das sich an Bord des Fahr-

selrichter erforderliche Induktivität darstellt. i₅ zeuges befindet, zu versorgen. Auch hierbei werden

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da- cie Zuleitungen vor den Dioden an die Wicklungsdurch gekennzeichnet, daß die Wicklung der in- stränge geführt, wenn die Hauptaufgabe dieses Geneduktiven Heizanlage aus mehreren galvanisch ratorsatzes darin besteht, das Bordnetz des Fahrzeumiteinander verbundenen Einzelwicklungen be- ges zusätzlich mit Gleichhtromenergie zu versorgen, steht. 23 " Ein Nachteil dieser Anordnung i->i, daß solche