DE2217541B2 - Batterieladegerät - Google Patents

Description

liegt, die der Ladespannung am Ende der A' fladung Das Ladegerät arbeitet folgendermaßen: Das von

entspricht. Nach der verstärkten Anfangs-Auflade- der Sekundärwicklung des Transformators 12 komphase erniedrigt sich die Batteriespannung infolge der säende Signal gelangt an den Spannungsteiler, der Spannungsgegenkoppelung auf ein Sicherheitsniveau, zwischen dem Abgiiff 36 an dem Anschloß 22 eine bei dem die weitere AufladungerfolgL S Referenzspannung erzeugt Der Spannungswert des

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vor- Referenzelementes 30 bzw. die Position des Kontaktgesehen, daß der Spannungsteiler aus eurem Wider- armes 38 des Potentiometers ist so gewählt, daß die stand und der Parallelschaltung eines Potentiometers Referenzspannung so groß ist, daß die Vorwärtsünd xnner Zenerdiode besteht, daß der Abgriff des Steuer-Spannung an Anschluß 36 etwa gleich ist der Potentiometers mit dem Anodenaüschluß einer Diode to Summe der End-Ladespannung der Natterie B plus verbunden ist, deren Kathodenanschluß an den Steuer- dem Spannungsabfall zwischen Steueranschluß und anschluß des thyristors angeschaltet ist, und daß die Kathodenanschluß des Thyristors. Die End-Ladespaneinen positiven Temperaturkoeffizienten, aufweisende nung der Batterie ist gewöhnlich etwas größer als die Diode in thermischem Kontakt mit dem Thyristor endgültige Spannung der Zelle nach dem Aufladen bei steht 15 offenem Ladestromkreis.

Das Batterieladegerät der Erfindung ist Vorzugs- Solange die Batterie noch nicht in vollaufgeladenem

weise bei der Aufladung gasdichte' elektrochemischer Zustand ist, reicht das von der Referenzspannung be-Sekundärzellen anwendbar, wie beispielsweise bei stimmte Signal aus, um den Thyristor während jeder gasdichtenNickel-Cadmium-ZeUen.Nickel-Zink-Zelien positiven Halbwelle kurzzeitig leitend zu machen. Die und Blei-Säure-Zellen. 20 Kontrolle der Aufladung erfolgt durch Spannungs-

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme rückkopplung von der Batterie. Am Ende jeder posiauf die Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher tiven Halbwelle geht die Ladespannung auf Null zuerläutert, rück, wodurch der Thyristor gelöscht wird. Am An-

F i g. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild des Lade- fanfc einer jeden positiven Halbwelle wird der Thyrigeräts nach der Erfindung; as stör geöffnet, unter der Voraussetzung, daß dasPoten-

F i g. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der tial am Steuranschluß 28 mindestens so groß ist wie die in dem Ladegerät verwendeten Steuerschaltung und Spannung der Batterie plus dem Spannungsabfall zwi-

F i g. 3 eine grafische Darstellung de? typischen sehen Steueranschluß und Kathodenanschluß des Spannungsverlaufs bei einer speziellen Batterie wäh- Thyristors. Während der Thyristor zu Beginn der Entrend des Aufladevorganges. 3° ladung in jeder positiven Halbwelle relativ früh zündet.

In F i g. 1 ist eine Batterie dargestellt, die aus einer d. h. bei einem großen Durchlaßwinkel, erfolgt die oder mehreren aufzuladenden Zellen besteht und mit Zündung bei Anwachsen der Ladespannung der B bezeichnet ist Als Energiequelle dient ein Transiur- Batterie und bei Annäherung an den nahezu voüständimator T, der eine Primärwicklung 10 und eine Sekun- gen Ladezustand innerhalb der Halbwellen später, d. h. därv* icklung 12 besitzt. Die Primärwicklung wird über 35 bei einem kleineren Durchlaßwinkel, bis der Thyristor den Stecker 14 versorgt, der an die normale 50-Hz-We- von den Ladeimpulsen vollständig in seinen Schließzuden Stecker 14 versorgt, der an die normale 50-Hz- stand getrieben wird.

Wechselspannung des Versorgungsnetzes gelegt ist. Eine charakteristische Kurve, die den Spannungs-

Ferner ist ein Ein-Aus-Schalter 16 sowie eine Schulz- verlauf bei einer gasdichten Nickel-Zink-Zelle während sicherung 18 vorgesehen. Die Klemmen der Sekundär- 40 der Aufladung zeigt, ist in F i g. 3 in Form der Kurve A wicklung 12 des Transformators bilden einen ersten dargestellt. Aus Kurve A erkennt man, daß die Span-Ladeanschluß 20 und einen zweiten Ladeanschluß 22. nung zu Beginn der Aufladung (entsprechend dem

Der Strom der Sekundärwicklung 12 wird über einen Anwachsen der Temperatur des Thyristors) schnell anThyristor SCR (silicon controlled rectifier) der Batte- steigt, dann durch ein Maximum hindurchgeht und rie B zugeführt Der Thyristor ist nicht, wie sonst üb- 45 schließlich zusammen mit der Temperatur des Thylich, mit einem Wärmeableitblech versehen. Sein ristors abfällt. Hierzu stellt sich die Ladekurve eines Anodenanschluß ist mit 14, sein Kathodenanschluß Batterieladegerätes nach dem Stand der Technik in mit 26 und der Steueranschluß mit 28 bezeichnet. direktem Kontrast dar. Diese Kurve ist mit B bezeich-

Quer zu den Ladeanschlüssen 20 und 22 ist ein Span- net. Sie repräsentiert eine im wesentlichen konstante nungsteilernetzwerk geschaltet, das uis dem Wider- 5° Laderate, hei welcher die Spannung monoton ansteigt, stand Al und einem Referenzspannungs-Elemenl 30 um langsam den der Endspannung des Ladezyklus entbesteht, sprechenden Spannungswert anzunehmen. Die auf

Bei einer speziellen Ausführung der Erfindung er- diese Weise verkürzte Ladezeit fällt noch mehr ins Gefolgt die Erzeugung der Referenzspannung zwischen wicht, wenn nur auf ein Teil der Nennkapazität (z. B. dem Abgriff 36 und dem Anschluß 22 durch das ge- 55 zwischen etwa 60 und 95 %) aufgeladen werden soll, strichelt umrandete Element 34, das in F i g. 2 heraus- Um einen Verlauf der Batterieaufladung zu erhalten,

gezeichnet ist Die Zenerdiode ZDI erzeugt eine Refe- wie er in Kurve A von F i g. 3 dargestellt ist, ist die renz- oder Schwellenspannung, die nahezu unabhängig Wärmeentwicklung in dem gesteuerten Gleichrichter vom Stromfluß durch das Element ist, solange dieses von Bedeutung. Die Wärme wird bei einem Thyristor im Sperrzustand innerhalb seiner Durchbruchspan- 60 normalerweise vorwiegend durch Leistungsverluste ernung in der Nähe des sogenannten »Zenerknies« betrie- zeugt. Ein grundlegendes Merkmal der Erfindung beben wird. Eine gewünschte Referenzspannung zwischen steht darin, diese Wärmeverluste durch thermische I sodem Anschluß 36 und dem Ladeanschluß 22 erhält lierung des Thyristors zu Kopplungszwecken auszuman durch Justierung des Kontaktarmes 38 des Poten- nutzen, anstatt die Hitze durch Verwendung von Abtiometers entlang des Widerstandes R 2. 65 leitblechen od. dgl. abzuführen. Ferner wird der durch

Der Anschluß 32 des Spannungsteilers bzw. der den Thyristor fließende Strom vorzugsweise nicht beSchleifer des Potentiometers ist über die Diode Z)I grenzt. Dies würde ebenfalls zu einer Abschwächung mit dem Steueranschluß 28 des Thyristors verbunden. der Aufheizung führen. In jedem Fall muß natürlich ge-

sorgt werden, daß die Wärmeentwicklung in dem gesteuerten Gleichrichter unterhalb der maximalen Arbeitstemperatur des Bauelementes bleibt, um dessen Zerstörung zu vermeiden.

Bei dem erfindungsgemäßen Batterieladegerät kann es in einigen Fällen erforderlich sein, einen strombegrenzenden Widerstand zwischen die Anschlüsse 20 und 24 oder 26 und 40 zu schalten und/oder ein verhältnismäßig kleines Ableitblech zu verwenden, um die Wärmeentwicklung in dem Thyristor unterhalb der Zerstörungsgrenze zu halten. Ob solche Wärmeableitmittel verwendet werden sollen, wird der mit der Entwicklung des Batterieladegerätes beauftragte Konstrukteur in Kenntnis des Typs der aufzuladenden Batterie, der Größe und Leistungsfähigkeit des Transformators und der Größe und Grenzleistung des gesteuerten Gleichrichters ohne weiteres entscheiden können. Das Kriterium besteht darin, die Wärmeausbildung in dem Thyristor so groß wie möglich zu halten und dennoch die Temperatur auf einem Wert unterhalb derjenigen Temperatur zu halten, bei der die Zerstörung des Bauelementes erfolgt.

Die folgenden Beispiele werden die Erfindung an einigen Beispielen im einzelnen erläutern.

Beispiele I bis VII

Bei diesen Beispielen wurde die Schaltung nach F i g. 1 unter Verwendung der Einrichtung aus Zenerdiode und Potentiometer gemäß F i g. 2 verwandt, mit der Ausnahme, daß eine zusätzliche Diode, die als D3 bezeichnet ist, in Reihe mit Rl liegt. Die aufzuladende Batterie ist eine gasdichte Nickel-Zink-Sekundärzelle mit einer Nennspannung von etwa 1,6 V. Diese Zelle

ίο ist neun Lade-Entlade-Zyklen ausgesetzt worden. In den Beispielen I, II und V (s. Tabelle) wurde ein Ableitblech in Form einer großen Krokodilklemme am Thyristorgehäuse befestigt. Beim Beispiel IV wurde ein Ableitblech von mittlerer Größe in Form einer kleinen Krokodilklemme eingesetzt. In den Beispielen III, VI und VlI wurde kein äußeres Ableitblech eingesetzt. Bei jedem der Beispiele wurde die gesamte Ladezelt willkürlich gewählt.
Aus der Tabelle erkennt man, daß bei denjenigen Beispielen, bei denen die Wärmeentwicklung des Thyristors maximal ausgenutzt wurde, die Amperestunden-Kapazität der Zelle, auf 1,0-V-Niveau bezogen, wesentlich größer ist. Die einzelnen Bauteile des Batterieladegerätes hatten folgende Kenndaten:

Beispiel	Zyklus Nr.	Endwert der Ladespannungen	Wärmeableitblech	Gesamte Ladezeit Minuten	Entladekapazität Ah auf 1,0 Volt
I	3	1,85	große Klemme	200	.93
I	4	1,85	große Klemme	105	.82
III	5	1,85	keine	100	1.20
IV	6	1,85	kleine Klemme	546	1.08
V	7	1,88	große Klemme	400	1.17
VI	8	1,88	keine	107	1.15
VII	9	1,88	keine	450	1.23

Beispiele VIII bis X

Das gleiche Ladegerät wie bei den vorigen Beispielen wurde verwendet, um eine wiederaufladbare gasdichte Nickel-Zink-Batteriezelle wiederholt aufzuladen. Die Ladezeit wurde bei jedem Beispiel konstant bei 5 Minuten gehalten, während die Entladung mit einer Rate von 0,8 A auf eine Höhe von 1,0 V stattfand. Bei dem Beispiel VIII wurde ein Wasserbad mit konstanter Temperatur (23° C) verwendet, um ideale Wärmeableitung zu simulieren. Die Durchschnittsent&dezeit auf das 1,0-V-Niveau betrug 41,7 Sek. bei einer Entladekapazität von 9,25 mAh.

Bei Beispiel IX wurde ein kleines Ableitblech verwandt, das den kleineren Anteil der vom Thyristor entwickelten Wärme ableiten konnte. Bei diesem Beispiel variierte die Temperatur des Thyristors von 23 bis 30⁰C. Der Mittelwert der Entladezeit auf das 1,0-V-Niveau betrag 52,3 Sek., entsprechend einer Entladekapazität der Zelle von 11,6 mAh.

Bei Beispiel X wurde kein Ableitblech verwandt Der Mittelwert der Entladezeit auf das 1,0-V-Niveau betrug etwa 54,7 Sek. Dies gibt 12,2 mAh für die Entladekapazität. Man erkennt, daß die Ergndung, wie durch das Ausführungsbeispiel LX gezeigt und durch das Ausführungsbeispiel X noch deutlicher demonstriert wird, die Ladekapazität der Zelle für eine vorgegebene Ladezeit erhöht.

Vermerkt sei noch, daß der Punkt, bei dem die Laderate eine Gegenkopplung erzeugt, d. h. der Zeitpunkt, zu welchem die Steigung der Kurve A nach F i g. 3 negativ wird, sich selbsttätig einstellt. Die Kontrolle des Zeitpunktes, in dem die Gegenkopplung eintritt, kann wichtig sein, beispielsweise um das thermische Durchgehen eines Schaltelementes zu verhindern. Diese Kontrolle wird durch Verwendung der thermischen Rückkopplung bewirkt, um die Vorspannung des Steueratischlusses 28 herabzusetzen und zu bewirken, daß der Thyristor innerhalb des Wechselspannungszyklus später zündet Man kann dies erreichen, indem die Bezugsspannung zwischen den Anschlüssen 36 und 22 erniedrigt und/oder die Spannung an der Diode -Dl erhöht wird. Zu diesem Zweck kann eine Zenerdiode mit negativem Temperaturkoeffizienten verwandt werden, die in Wanneberührung mit einem wärmeentwickelnden Bauelement, z. B. dem Transformator, dem gesteuerten Gleichrichter oder im einiget Fällen mit der aufzuladenden Batterie gebracht wird Die Erhöhung der Spannung an Dl wild durch Verwendung einer Diode mit positivem Temperaturkoef fizienten erreicht, die in Wärmeberührung mit eisen der schon genannten wärmeentwickelnden Element« gebracht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1 2 durch Thennowiderstände beeinflußt, die einerseits mit Patentansprüche: der Batterie und andererseits mit einem nut dem Lade thyristor in Reihe liegenden Heizwiderstand gekoppelt

1. Batterieladegerät mit einem in Reihe mit der sind. Auch hier wird die gegen Ladungsende auftrenufzuladenden Batterie an einer Spannungsquelle S tende Temperaturerhöhung der Batterie zur Verringederen Spannung periodisch zu Null wird, liegenden run? des Ladestromes ausgenutzt Die dem Steuer-Thyristor und mit einem an die Spannungsquelle anschluß des Thyristors zugeführte Steuerspannung angeschalteten, eine Referenzspannung erzeugen- wird in Abhängigkeit vom Ladestrom geregelt

den Spannungsteiler, dessen Abgriff die Steuerspan- Schließlich ist ein Batterieladegerät bekannt (GB-PS

nung für den Tyristor liefert, dadurch ge- ίο 1051470), bei dem der im Ladestromkreis liegende kennzeichnet, daß der Thyristor (SCR) Thyristor in Abhängigkeit vom Ladezustand der wenigstens teilweise von äußeren thermischen Ar*· Batterie gesteuert wird. Eine Spannung, die von der leitmittein so isoliert ist, daß er sich während des Battetiespannung abgeleitet ist, wird mit einer kon-Ladevorganges im wesentlichen frei aufheizen stanten Referenzspannung verglichen. Die Spannungskann. *5 differenz steuert einen Transistor, der seinerseits den

2. Batterieladegerät nach Anspruch I₁ dadurch Steuerstrom für den Thyristor liefert. Erreicht die gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler aus einer Batteriespannung den vorgesehenen Endwert, dann mit einem Widerstand (Rl) in Reihe liegenden setzt die Transistorzündung schließlich vollständig aus. Zehnerdiode (ZDl) besteht, welcher ein Potentio- Allen bekannten Ladegeräten ist gemeinsam, daß meter (Rl), an dessen Abgriff (36) die Referenz- ao die Erwärmung des Thyristors und die damit verbunspannung abnehmbar ist, parallel geschaltet ist, dene Änderung seines Betriebsverhaltens, die eintritt, daß seine Diode (Dl) mit ihrem Anodenanschluß wenn die Batterie noch weitgehend ungeladen ist und an den Abgriff des Spannungsteilers angeschlossen einen hohen Ladestrom benötigt, möglichst auf elekist, während ihr Kathodenanschluß mit dem trischem Wege kompensiert wird, um den Ladestrom Steueranschluß (28) des Thyristors (SCR) verbun- as bzw. die Ladespannung in der Anfangsphase der Aufden ist, und daß die einen positiven Temperatur- ladung nicht zu groß werden zu lassen. Dies führt zu koeffizienten besitzende Diode (Dl) in thermischem einer relativ langen Aufladezeit, in der die Batterie Kontakt mit dem Thyristor steht. zum Gebrauch nicht zur Verfügung steht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Batterieladegerät 30 der eingangs genannten Art zu schaffen, das die Aufladung automatisch begrenzt, die Aufladezeit gegenüber den bekannten Geräten aber erheblich verkürzt.

. Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vor

geschlagen, daß der Thyristor wenigstens teilweise von 35 äußeren thermischen Ableitmitteln so isoliert ist, daß er sich während des Ladevorganges im wesentlichen frei aufheizen kann.

Die Erfindung betrifft ein Batterieladegerät mit einem Wenn im Anfangsstadium der Ladeperiode die

in Reihe mit der aufzuladenden Batterie an einer Span- Temperatur des Thyristors infolge des hohen Ladenungsquelle, deren Spannung periodisch zu Null wird, 40 stromes anwächst, wird ein kleineres Signal an dem liegenden Thyristor und mit einem an die Spannungs- Steueranschluß benötigt, um den Thyristor in den quelle angeschalteten, eine Referenzspannung erzeu- leitenden Zustand zu steuern. Der Thyristor zündet genden Spannungsteiler, dessen Abgriff die Steuer- daher bei jeder Halbwelle der anstehenden Wechselspannung für den Thyristor liefert. spannung um so früher, je wä*mer er ist. Wenn sich Bei einem bekannten Batterieladegerät dieser Art 45 die Batterie dem Ende der Aufladung nähert und der (US-PS 3 538 415), das als Schnelladegerät bezeichnet Thyristor infolge der durch die Batteriespannung wird, ist ein mit der aufzuladenden Batterie in Reihe bewirkten Spannungsrückkopplung bei jeder Halbliegender Thyristor, dem ein Regelwiderstand vorge- welle später zündet, verringert sich der Effektivstrom schaltet ist, an eine Wechselspannung gelegt. Der durch den Thyristor hindurch, und dieser kühlt sich ab. Steueranschluß des Thyristors ist über einen ersten 50 Diese Kühlung erhöht die Zündspannung und bewirkt, Thermowiderstand an den Abgriff eines an die Wech- daß die Zündung in dem Wechselspannungszyklus selspannungsquelle angeschlossenen Spannungsteilers später erfolgt. Auf diese Weise reduziert sie den Ladegelegt, der eine Zenerdiode enthält. Das Überladen der strom und verursacht eine weitere Abkühlung des Batterie wird dadurch verhindert, daß in dem Steuer- Thyristors. Dieser Kopplungseffekt dauert an, bis der kreis des Thyristors ein weiterer Thermowiderstand an- 55 Ladestrom abgebrochen ist und der Thyristor endgeordnet ist, der thermisch mit der Batterie gekoppel- gültig gesperrt wird.

ist und bei Erwärmung der Batterie die Thyristorzün- Während die bekannten Batterieladegeräte so kon-

dung bei jeder Halbwelle verzögert. Um das Tempera- zipiert sind, daß das Spannungsniveau der Batterie turverhalten des Thyristors, der sich während der während der Aufladung etwa in Höhe der Nennspan-Batterieaufladung erwärmt, zu kompensieren, ist der 60 nung der Batterie gehalten wird, um Zerstörungen zu erste Thermowiderstand thermisch mit dem Thyristor vermeiden, basiert die Erfindung auf der Erkenntnis, gekoppelt. Hierdurch soll sichergestellt werden, daß daß die Aufladung im Anfangsstadium erheblich stärdie Batterie nicht überladen werden kann. Die Tempe- ker erfolgen kann, als sie normalerweise angesetzt raturänderungen des Thyristors werden durch den wird. Infolge der durch die thermische Isolierung des ersten Thermowiderstand auf thermoelektrischem 65 Thyristors bewirkten Erwärmung führt der Thyristor Wege kompensiert. der Batterie während der Anfangsperiode der Auf Ia-

Bei einem weiteren bekannten Batterieladegerät dung einen so hohen Ladestrom zu, daß das Maximum (US-PS 3 534 241) wird das Ladeverhalten ebenfalls der Ladespannung über der Batterie-Nennspannung