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Verfahren und Vorrichtung zur Beistungsregelung von batteriegespeisten
Elektrogeräten Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Leistungsregelung
von batteriegespeisten Elektrogeräten, insbesondere größeren Einheiten wie Fahrzeuge,
Gabelstapler oder dergleichen.
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Die Beistungsregelung solcher batteriegespeister Elektrogeräte stellt
technisch ein schwieriges und derzeit noch nicht in allen Belangen befriedigend
gelöstes Problem dar.
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Wegen der geringen Kapazität der zur Verfügung stehenden Energiespeicher
muß diese Regelung möglichst verlustfrei durchgefuhrt werden.
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Neben der sehr verlustreichen Regelung durch Ohm'sche Widerstände
sind Regelschaltungen bekannt geworden, die auf dem Prinzip der Wicklungsanzapfung
oder der halbleitergesteuerten Stromunterbrechung beruhen. Während jedoch das erstgenannte
System nur einen geringen Regelbereich erlaubt, stellt das zweitgenannte eine sehr
kostspielige Regeleinrichtung dar.
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Da die handelsüblichen Akkumulatoren oder Batterien in der Regel aus
einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Einzelelementen bestehen, bietet sich grundsätzlich
die EXöglichkeit einer verlustfreien Spannungs- und damit Leistungsregelung dadurch
an, daß man je nach Bedarf eine mehr oder minder große Anzahl von in Reihe geschalteter
Einzelelemente über einen einfachen Stufenschalter auf die elektrische Antriebsmaschine
schaltet. Diese einfache Regeln hat jedoch den gravierenden Nachteil, daß die einzelnen
Batterieteile
ungleichmäßig belastet werden, was ihren Einsatz
in der Praxis verbietet Die Batterieteile, die nahe dem Null-Punkt der Schaltung
liegen, werden nämlich immer und bei jedem Anfahrvorgang stark belastet, während
die in der Reihenschaltung abseits vom Nullpunkt gelegenen Batterieteile nur bei
gelegentlichen teistr:ngsspitzen beansprucht werden. Das bedeutet, daß zu desi zeitpunkt,
wenn die standig belasteten Batterieteile bereits entladen, die nur für die Iieistungsspitzen
beanspruchter Batterieteile noch nicht annähernd erschöpft sind, Neben den Schwierigkeiten
bei der Wiederaufladung eines derart unsymmetrisch entladenen Akkumulators bedeutet
dieser Vorgang außerdem eine schlechte Atnützung der vorhandenen Kapazität und gleichzeitig
auch eine schlechte Ausnützung des gegebenen Batteriegewichtes.
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, diese letztgenannte, im Prinzip
verlustfreie Schaltung für die Leistungeregelung batteriegespeister Elektrogeräte
der eingangs genannten Art für die Praxis anwendbar zu machen, indem der Fehler
der unsymmetrischen Belastung der eIrelnen Batterieteile eines elektrischen Energiespeichers
vermieden wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine beliebige
Anzahl von in Reihe geschalteter Batterieteile beliebiger und verschiedener Größen
derart auf die elektrische Antriebeeinheit geschaltet wird, daß die jeweils stärker
belasteten Batterieteile Mch er beendeten Inbetriebnahme in die Positionen der schwächer
belasteten Batterieteile gerückt werden und der am ivächsten belastete, letzte Batterieteil
die freie Position des am stärksten belasteten, ersten Batterieteils einnimmt. Stellt
man sich beispielsweise eine Energiesinheit mit vier einzelnen in Reihe geschalteten
Batteristeilen vor, so erkennt man, daß zum Anfahrvorgang einer elektrischen Antriebsmaschine
zunächst nur der erste Batterieteil angeschaltet und die zur Leistungsabgabe herangsz@gen
wird. Mit zuneh@and Drehzahl des Motors wird nun weiter der zweite, @@@n
dritte
und schließlich der vierte und letzte Batterieteil zugeschaltet. Dabei war nun der
erste Batterieteil am stärksten belastet, während der zweite, dritte und vierte
Batterieteil zunehmend weniger belastet war; denn der vierte und letzte Batterieteil
wurde nur bei voller Leistung, nicht j jedoch zum Anfahrvorgang beansprucht.
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Das Abschalten der Anlage erfolgt in umgekehrter Reihenfolge. Durch
ein geeignetes Schrittschaltwerk wird bei Erreichen der Nullstellung die gesamte
Schaltereinheit um eine Position der Batterieteile zurückversetzt, so daß beim neuerlichen
Anfahrvorgang der vierte Batterieteil die Hauptlast zu tragen hat und in der Folge
der Teil 1, 2 und 3 zugeschaltet werden. Beim erneuten Zuruckschalten springt dann
der Schalter wieder um, und bringt für den nächsten Anfahrvorgang den dritten Batterieteil
in die Position der stärksten Beanspruchung. Dieser Vorgang wiederholt sich ständig,
so daß gemäß der Erfindung immer die am stärksten belasteten Batterieteile die Position
der am schwachsten belasteten Batterieteile einnellmen.
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Durch diese Schaltung werden alle Batterieteile einmal zur Entnahme
des vollen Anfahrstromes heratezogen. Statistisch gesehen bedeutet dies, daß alle
Batterieteile über einen längeren Arbeitszeitraum gleichmäßig belastet werden und
sich daher auch gleichmäßig entladen.
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In weiterer Ausbildung der Brfindllng können die Anschlüsse der Batterieteile
einzeln an eine Sammelschiene oder andere Sammeleinheit herangefülirt und mit der
Schaltereinlleit verbunden sein, wodurch die Schaltung und Leistungsregelung gemäß
dem Hauptanspruch sinnvoll durchgeführt werden kann.
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Zur Aufladung müssen die einzelnen Batterieteile dann noch in geeigneter
Weise miteinander verbunden werden. Die Art der Verbindung richtet sich weitgehend
nach dem zur VerfUgung stehenden Ladegerät und der Ladespannung.
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Von der Bauart der Schaltereinheit und von den verlangten Leistungen
hängt es ab, wie nun im Betrieb die einzelnen Batterieteile angezapft werden. So
können nach einem weiteren
Vorschlag der Erfindung die Batterieteile
in sich Banze Einheiten von beliebig vielen zusammengeführten Batterieelementen
bilden. Dabei können weiterhin die jeweils für den Anfahrvorgang der elektrischen
Antriebsmaschine gültigen Batterieteile aus größeren Einheiten von einzeln zusammengefügten
Batterieelementen gebildet sein als die übrigen reihegeschalteten Batterieteile
und nach jeder beendeten Inbetriebnahme kann nur jeweils ein einzelnes Batterieelement
aus jeder Gruppe der stärker belasteten Batterieteile in die Gruppe der schwächer
belasteten Batterieteile rücken.
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So ist es durchaus denkbar, daß gemäß diesem Erfindungsgedanken zum
Anfahren der elektrischen Antriebsmaschine beispielsweise aus einem großen Sammler
sechs zu einer Gruppe zusammengefaßte Einzel-Batterie-Elemente verwendet werden
und Jede weiterzuschaltende Stufe nochmals aus einer Gruppe von je zwei Eins.el-Batterie-Elementen
besteht. Bei der Beendigung der Inbetriel)-nalime springt dann die ganze Schaltereinheit
um ein Batterie-Element weiter und der Sechserblock zum Anfahren nimmt ein neues
Batterie-Element auf und gibt eines an die nächstfolgende Zweiergruppe ab. Es können
natürlich auch Sammler und Gruppen aus mehr oder weniger als sechs bzw. zwei Einzel-
Batterie-Elementen gebildet werden. Entsprechend der jeweiligen Sammler- und Gruppengröße
kann dabei auch mehr als nur immer ein einziges Einzel-Batterie-Element vom Sammler
bzw. der Gruppe abgegeben und aufgenommen werden, was zu erheblichen Vereinfachungen
und Einsparungen der Schaltungen führen kann.
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Die Schaltung selbst kann erfindungsgemäß über geeignete Dreh-Stufenschalter
oder llber Schalter mit geeigneter Schaltwalze mit Einzelkontakten erfolgen. Eine
Schaltvorrichtung kann erfindungsgemäß auch darin bestehen, daß die einzelnen Batterieteile
in Reihe an eine Sammelschiene oder dergleichen angeschlossen und durch Kontaktbrücken,
die auf einer drehbaren Scheibe angebracht sind, verbunden werden. Dabei kann ein
Kontakt von der Scheibe zur Elektrischen Antriebsmaschine bestehen, während der
zweite kontakt durch einen die einzelnen Batterieteile abfahrenden Schalter hergestellt
sein kann, bei dessen Abschaltdrehung von der höchsten Seistungsstufe bis auf den
Wert Null sich die Scheibe gleichzeitig in entgegengesetzter Richtung vorzugsweise
um den Winkel dreht, unter dem die einzelnen Batterieteile bzw. deren Anschlüsse
zueinander
um die Scheibe angeordnet sind. Natürlich sind hier ebenso auch andere Winkel möglich,
beispielsweise wenn Beerkontakte zwischengeschaltet sind.
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Nach einem weitergehenden @ Vorschlag der Erfindung können zwischen
der Schaltereinheit und der Antriebsmaschine ein oder auch mehrere Relais geschaltet
sein. Damit braucht die Schaltereinheit nur als Schwachstrom-Schalter ausgeführt
zu sein, während die Relais die Schaltung der starken Ströme übernehmen, ohne daß
sich dabei an der grundsätzlichen wechselweisen Belastung von einzelnen Batterieteilen
etwas ändert In der Zeichnung ist schematisch eine solche erfindungsgemäße Schaltung
dargestellt.
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tTit 1, 2, 3 und 4 sind vier einzelne Batterieteile eines elelftriscElen
Energiespeichers bezeichnet. Der zur elektrischen An-triebseinheit M führende Kontakt
5 und die Kontaktbrücken 6,7 und S befinden sich auf einer drehbaren Scheibe.
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Diesc cheibe - nicht dargestellt - kann durch eine mechanische Schnapprastvorrichtung
nur um jeweils 90° entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht werden. Die Kontaktbrücken
6,7, 8 sind so beschaffen, daß sie zwischen den Batterieteilen 1, 2>3 und 4 aufgrund
ihrer Abmessungen Kontakte herstellen können. Bei der oben erwähnten 90°-Drehung
der Scheibe, nährend der die Kontaktbrücken vorübergehend an jeweils einem der Batterieteile
vorbeigleiten, darf dabei kein Kurzschluß hergestellt werden. Der Schleifkontakt
9, der von einer Stellung 95 oder 94 ausgehend über 93 und 92 nach und 9 bewegt
werden kann, stellt den zweiten Anschluß an die elektrische Antriebseinheit M dar.
Beim Zurückdrehen des Schleifkontaktes 9 über 91 nach 92 nach 93 wird bei der Endbewegung
von 93 nach 94 oder 94 nach 95 die Scheibe mit den Kontakten um 90 entgegen dem
Uhrzeigersinn gedreht, was beispielsweise mit Hilfe einer geeigneten Klinke mit
Klinkenabweiser erfolgen kann. In der dargestellten Schemazeichnung bilden die Schalterstellung
9 und 5 die hdohste Leistungsstufe, während die Stellung der gestrichelten
linie
94 oder 95 mit 5 die Null-Stellung bedeuten, wobei den Motor kurzschließt und bei
geeigneter Motorbauart dadurch eine Bremsschaltung verwirklicht wird.
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Selbstverständlich kann die Schalteinrichtung ebenso auch für eine
größere Anzahl von einzelnen Batterieteilen mit entsprechend geänderten Drehwinkeln
analog aufgebaut sein.
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Um insbesondere auch die Starkstrom führenden Leitungen kurz zu halten
und die Schaltereinheit, die elektrische Antriebsmaschine und eventuell zwischengeschaltete
Relais als größere Funktionseinheit mit nur kurzen Verbindungen zueinander eng zusammenzuhalten,
kann es zweckmäßig sein, die Schaltereinheit über Fernbedienungselemente schaltbar
zu gestalten. Die Fernbedienungselemente können beispielsweise Wabelzüge-3ein mit
denen die Schaltscheiben gedreht werden. Ebenso wie ein solches mechanisches Element
sind Jedoch auch elektrotechnische Elemente denkbar, mit denen die Bedienungsperson
die Schaltereinheit aus größerer Entfernung bedienen kann.
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