DE2217541C3 - Batterieladegerät - Google Patents

Description

Begt, die der Ladespannung am Ende der Aufladung entspricht Nach der verstärkten Anfangs-Aufladef»hase erniedrigt sich die Batteriespannung infolge der Spannungsgegenkoppelung auf ein Skherheitsniveau, |>ei dem die weitere Aufladung erf ^lgt.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vor-•esehen, daß der Spannungsteiler aus einem Wider- $tand und der Parallelschaltung eines Potentkmeters und einer Zenerdiode besteht, daß der Abgriff des Potentiometers mit dem Anodenanschluß einer Diode verbunden ist, deren Kathodenanschluß an den Steueranschluß des Thyristors angeschaltet ist, und daß die einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisende Diode in thermischem Kontakt mit dem Thyristor $teht.

Das Batterieladegerät der Erfindung ist vorzugsweise bei der Aufladung gasdichter elektrochemischer Sekundärzellen anwendbar, wie beispielsweise bei gasdichten Nickel-Cadmium-Zellen, Nickel-Zink-ZeHen und Blei-Säure-Zellen. ao

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

F i g. 1 zeigt ein schematisches Schaltbild des Ladegeräts nach der Erfindung;

F i g. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der in dem Ladegerät verwendeten Steuerschaltung und

F i g. 3 eine grafische Darstellung des typischen Spann uηgsverlaufs bei einer speziellen Batterie während des Aufladevorganges.

In F i g. 1 ist eine Batterie dargestellt, die aus einer oder mehreren aufzuladenden Zellen besteht und mit B bezeichnet ist. Als Energiequelle dient ein Transformator T, der eine Primärwicklung 10 und eine Sekundärwicklung 12 besitzt. Die Primärwicklung wird über den Stecker 14 versorgt, der an die normale 50-Hz-Weden Stecker 14 versorg*, der an die normale 50-Hz-Wechselspannung des Versorgungsnetzes gelegt ist. Ferner ist ein Ein-Aus-Schalter 16 sowie eine Schutzsicherung 18 vorgesehen. Die Klemmen der Sekundärwicklung 12 des Transformators bilden einen ersten ¹ adeanschluß 20 und einen zweiten Ladeanschluß 22.

Der Strom der Sek u ndärwicklung 12 i rd über einen Thyristor SCR (silicon controlled rectii-er) der Batterie B zugeführt. Der Thyristor ist nicht, wie sonst üblieh, mit einem Wärmeableitblech versehen. Sein Anodenanschluß ist mit 14, sein Kathodenanschluß mit 26 und der Steueranschluß mit 28 bezeichnet.

Quer zu den Ladeanschlüssen 20 und 22 ist ein Spannungsteilernetzwerk geschaltet, das aus dem Widerstand Λ1 und einem Referenzspannungs-Element 30 besteht.

Bei einer speziellen Ausführung der Erfindung erfolgt die Erzeugung der Referenzspannung zwischen dem Abgriff 36 und dem Anschluß 22 durch das gestrichelt umrandete Element 34, das in F i g. 2 herausgezeichnet ist. Die Zenerdiode ZDl erzeugt eine Referenz- oder Schwellenspannung, die nahezu unabhängig vom Stromfluß durch das Element ist, solange dieses im Sperrzustand innerhalb seiner Durchbruchspanniing in der Nähe des sogenannten »Zenerknies« betrieben wird. Eine gewünschte Referenzspannung zwischen dem Anschluß 36 und eiern Ladeanschluß 22 erhält man durch Justierung des Kontaktarmes 38 des Potentiometers entlang des Widerstandes Λ2.

Der Anschluß 32 des Spannungsteilers bzw. der Schleifer des Poter.iiometers ist über die Diode D\ mit dem Steueranschluß 28 des Thyristors verbunden.

Das Ladegerät arbeitet folgendermaßen: Das von der Sekundärwicklung des Transformators 12 kommende Signal gelangt an den Spannungsteiler, der zwischen dem Abgriff 36 an dem Anschluß 22 eine Referenzspannung erzeugt Der Spannungswert des Referenzelementes 30 bzw. die Position des Kontaktarmes 38 des Potentiometers ist so gewählt, daß die Referenzspannung so groß 1st, daß die Vorwärts-Steuer-Spannung an Anschluß 36 etwa gleich ist der Summe der End-Ladespannung der Natterie B plus dem Spannungsabfall zwischen Steueranschluß und Kathodenanschluß des Thyristors. Die End-Ladespannung der Batterie ist gewöhnlich etwas größer als die endgültige Spannung der Zelle nach dem Aufladen bei offenem Ladesiromkreis.

Solange die Batterie noch nicht in vollaufgeladenem Zustand ist, reicht das von der Referenzspannung bestimmte Signal aus, um den Thyristor während jeder positiven Halbwelle kurzzeitig leitend zu machen Die Kontrolle der Aufladung erfolgt durch Spannungsrückkopplung von der Batterie. Am Ende jeder positiven Halbwelle geht die Ladespannung auf Null zurück, wodurch der Thyristor gelöscht wird. Am Anfang einer jeden positiven Halbwelle wird der Thyristor geöffnet, unter der Voraussetzung, daß das Potential am Steuranschluß 28 mindestens so groß ist wie die Spannung der Batterie plus dem Spannungsabfall zwischen Steueranschluß und Kathodenanschluß des Thyristors. Während der Thyristor zu Beginn der Entladung in jeder positiven Halbwelle relativ früh zündet, d. h. bei einem großen Durchlaßwinkel, erfolgt die Zündung bei Anwachsen der Ladespannung der Batterie und bei Annäherung an den nahezu vollständigen Ladezustand innerhalb der Halbwellen später, d. h. bei einem kleineren Durchlaßwinkel, bis der Thyristor von den Ladeimpulsen vollständig in seinen Schließzustand getrieben wird.

Fine charakteristische Kurve, die den Spannungsverlauf bei einer gasdichten Nickel-Zink-Zelle während der Aufladung zeigt, ist in F i g. 3 in Form der Kurve A dargestellt. Aus Kurve A erkennt man, daß die Spannung zu Beginn der Aufladung (entsprechend dem Anwachsen der Temperatur des Thyristors) schnell ansteigt, dann durch ein Maximum hindurchgeht und schließlich zusammen mit der Temperatur des Thyristors abfällt. Hierzu stellt sich die Ladekurve eines Batterieladegerätes nach dem Stand der Technik in direktem Kontrast dar. Diese Kurve ist mit B bezeichnet. Sie repräsentiert eine im wesentlichen konstante Laderate, bei welcher die Spannung monoton ansteigt, um langsam den der Endspannung des Ladezyklus entsprechenden Spannungswert anzunehmen. Die auf diese Weise verkürzte Ladezeit fällt noch mehr ins Gewicht, wenn nur auf ein Teil der Nennkapazität (z. B. zwischen etwa 60 und 95%) aufgeladen werden soll.

Um einen Verlauf der Batterieaufladung zu erhalten, wie er in Kurve A von F i g. 3 dargestellt ist, ist die Wärmeentwicklung in dem gesteuerten Gleichrichter von Bedeutung. Die Wärme wird bei einem Thyristor normalerweise vorwiegend durch Leistungsverluste erzeugt. Ein grundlegendes Merkmal der Erfindung besteht darin, diese Wärmeverluste durch thermische I solierung des Thyristors zu Kopplungszwecken auszunutzen, anstatt die Hitze durch Verwendung von Ableitblechen od. dgl. abzuführen. Ferner wird der durch den Thyristor fließende Strom vorzugsweise nicht begrenzt. Dies würde ebenfalls zu einer Abschwächung 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 erfindungsgemäßeni 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 Typis 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 D 3 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

is Krokodilklemme eingesetzt. In den Beispielen III, VI und VlI wurde kein äußeres Ableitblech eingesetzt. Bei jedem der Beispiele wurde die gesamte Ladezeit willkürlich gewählt.
Aus der Tabelle erkennt man, daß bei denjenigen

ao 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.	Kndwert 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	{jroße Klemme	400	1.17
VI	8	1,88	keine	107	1.15
vn	9	1,88	keine	450	1.23

Beispiele VI [I bis X

Das gleiche Ladegerät wie bei den vorigen Beispielen wurde verwendet, um eine wiederaufladbare gas;-dichte Nickel-Zink-Batterieralle wiederholt aufzula.-den. 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 idealie Wärmeableitung zu simulieren. Die Durchschnittsentladezeit 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 betrug 52,3 Sek., entsprechend einer Entladekapazität der Zelle von 11,6 mAh.

Bei Beispiel X wurde kein Ableitblech verwandt Der Mittelwert der Entlade/cit auf das 1,0-V-Nivea.u betrug etwa 54,7 Sek. Dies gibt 12,2 mAh für die Entladekapazität. Man erkennt, daß die Erfindung, wie durch das Ausführungsbeispiel IX 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 Zeit-. punkt, 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

So des Steueranschlusses 28 herabzusetzen und zu bewirken, daß der Thyristor innerhalb des Wechselspannungs/yklus 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 Wärmeberührung mit einem wärmeentwickelnden Bauelement, z. B. dem Transformator, dem gesteuerten Gleichrichter oder in einigen Fällen mit der aufzuladenden Batterie gebracht wird. Die Erhöhung der Spannung an Dl wird durch Verwendung einer Diode mit positivem Temperaturkoeffizienten erreicht, die in Wärmeberührung mit einem der schon genannten wärmeentwickelnden Elemente gebracht wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

% durch Thennowiderstände beeinflußt, die einerseits mit _ _ , \J Hp1. Batterie und andererseits mit einem mit dem Lade- Patentansprüche: A***« ^^egeftden Heizwiderstand gekoppelt

1. Batterieladegerät mit einem in Re.he mit der sind. Auch hier wirdi die: gegen Ladungsende auftreaufzuladenden Batterie an einer Spannungsquelle 5 tende Temperaturerhöhung der BattenezurVernnge deren Spannung periodisch zu NuU^ird, hegenden rung des Ladestromes ^a^^u

Thyristor und mU einem an die Spannungsquelle anschluß des Tfaynst°« ^

angeschalteten, eine Referenzspannung erzeugen- wird in Abtangigtot v^Ud^m^regelt

den Spannungsteiler, dessen Abgriff die Steueispan- Schließlich .st em ^B»^^SoSfc 1 Sende

Bung für denTyristor liefert, dadurch ge- » 1 051 470), be, dem der im ^L^^S™^^S '^f "^d _p!

kennzeichnet, daß der Thyristor[SCK) Thyristor .n Abhängigkeit vom Ladezustand de

wenigstens teilweise von äußeren thermischen Ab- Batterie gesteuert wird Eine Spannung,die von_ der

kitmftteln so isoliert ist, daß er sich während des Batteriespannung abgeleitet ist, wird mit einer kon-

Ladevorganges im wesentlichen frei aufheizen stanten Referenzspannung vergliche^ Die Spannung^

_k ^{e 6} ₁₅ differenz steuert einen Transistor, der seinerseits den

2. Batterieladegerät nach Anspruch 1, dadurch Steuerstrom für den Thyristor HeferL Erreicht.die gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler aus einer Batteriespannung den vorgesehenen Endwert dann mit einem Widerstand (AI) in Reihe liegenden setzt die Transistorzundung schließlichι volltandig aus Zehnerdiode (ZD2) besteht/welcher ein Potentio- Allen bekannten Ladegeraten ist gemeinsam daß meter (Λ2), an dessen Abgriff (36) die Referenz- .*, die Erwärmung des Thyristors und die dam.t verbun. spannung abnehmbar ist, parallel geschaltet ist, dene Änderung seines Betnebsverh aliens die eintritt daß seine Diode (Z)I) mit ihrem Anodenanschluß wenn die Batterie noch weitgehend ungeladen ist und an den Abgriff des Spannungsteilers angeschlossen einen hohen Ladestrom benotigt, moghchs auf elekist, während ihr Kathodenanschluß mit dem irischem Wege kompensiert_ wird um den Ladestrom Steueranschluß (28) des Thyristors (SCR) verbun- 25 bzw. die Ladespannung in der Anfangsphase der Aufden ist, und daß die einen positiven Temperatur- ladung nicht zu groß werden zu lassen. Dies fuhrt zu koeffizienten besitzende Diode (Dl) in thermischem einer relativ langen Aufladezeit, in der die Batterie Kontakt mit dem Thyristor steht. zum Gebrauch nicht zur Verfugung steht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Batteneladegerat 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 vorgeschlagen, 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 Ladeliungsquelle, deren Spannung periodisch in Null wird, 4» stromes anwächst, wird ein kleineres Signa! an ---em liegenden Thyristor und mit einem an die Spannungs- Steueranschluß benötigt, um den Thyristor m 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 wärmer er ist. V\enn 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 Aufla-

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