DE2339716B2

DE2339716B2 - Batterieladegerät

Info

Publication number: DE2339716B2
Application number: DE2339716A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Hering; Herbert Seeger
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1973-08-06
Filing date: 1973-08-06
Publication date: 1978-06-15
Also published as: ATA632774A; IT1017846B; NL7410197A; CH582966A5; BE818298A; DE2339716A1; LU70669A1; AT335573B; FR2240555A1; ES428844A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Laden von Akkumulatoren-Batterien aus einem Wechselspannungsnetz über wenigstens einen Transformator und wenigstens einen Gleichrichter mit einem Regler, der unterschiedliche Transformator-Übersetzungsverhältnisse so wirksam werden läßt, daß bei der niedrigsten Batteriespannung eine erheblich niedrigere Wechselspannung am Gleichrichter auftritt als bei der höchsten Batteriespannung, und der mit Erreichen der Gasungsspannung der Akkumulatoren-Batterie eine Spannungsregelung oder Stromregelung wirksam werden läßt, durch die die Akkumulatoren-Batterie nachgeladen wird.

Es sind Batterieladegeräte bekannt, die an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen werden und mit Transformatoren, Gleichrichtern sowie Strom- und/ oder Spannungsreglern ausgerüstet sind. Sie haben den Nachteil, daß infolge der z. B. in Haushaltsnetzen auf 16A bemessenen Netzsicherung und des dann während des Ladevorgangs überwiegend unter 16A liegenden Geräteeingangsstromes eine leere Batterie nicht dauernd mit dem sicherungsmäßig größtmöglichen Ladestrom geladen wird und daher lange Ladezeiten in Kauf genommen werden müssen. Das wirkt sich besonders nachteilig aus, wenn Batterien, welche die Energie von elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugen liefern, aus dem Haushaltnetz während der Nachtzeit

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60 aufgeladen werden sollen; denn hierfür stehen gewöhnlich nur zehn Stunden zur Verfügung, die in den meisten Fällen dann nicht ausreichen.

Aus der deutschen Patentschrift 4 90 721 ist ein Batterieladegerät bekanntgeworden, das eine Gerätekennlinie aufweist, die einer IUIa-Ladekennlinie entspricht Es wird beim Laden zunächst die maximal batteriemäßig zulässige Ladestromstärke bis zum Erreichen der Gasungsspannung mittels eines Stromreglers konstant gehalten. Dabei steigt die Ladespannung und die Gegenspannung der Batterie langsam an. Nach Erreichen der Gasungsspannung setzt eine Spannungsregelung ein, wodurch die Ladespannung konstant gehalten wird. Dabei sinkt die Ladestromstärke nach kurzer Zeit schnell auf eine gewisse minimale Ladestromstärke ab. Sobald diese minimale Ladestromstärke erreicht ist, setzt wieder eine Stromregelung ein, wodurch die Ladestromstärke auf diesen minimalen Wert wiederum mit wachsender Ladespannung bis zur Volladung der Batterie konstant gehatten wird. Der Geräteeingangsstrom steigt entsprechend der abgegebenen Ausgangsleistung bi&zum Erreichen der Gasungsspannung am, sinkt während der Konstantspannung stark ab und steigt während der folgenden Stromregelung wieder leicht an. Dieses Batterieladegerät besitzt bereits eine für die Batterie zeitlich ziemlich günstige Gerätekennl>nie, der Geräteeingangsstrom ist aber während des Aufladevorganges nicht konstant, und das Batterieladegerät wird nicht sicherungsmäßig und auch nicht optimal leistungsbezogen ausgenutzt

Weiterhin ist aus der Zeitschrift »Glückauf« H. 1, 1960, Seiten 13 und 14 ein Batterieladegerät bekannt, das eine Gerätekennlinie aufweist, die einer IU-Ladekennlinie entspricht Dieses Batterieladegerät besitzt eine etwa in Höhe der Batterie liegende Leerlaufausgangsspannung und ist mit einer Strombegrenzungseinrichtung ausgerüstet, die, falls die Stromaufnahmefähigkeit der angeschlossenen Batterie größer sein sollte als die maximal zulässige Ladestromstärke des Ladegerätes ist, den Ladestrom auf diesen zulässigen Wert begrenzt. Sobald die Ladestromstärke unter die maximal zulässige Ladestromstärke gesunken ist, setzt eine Spannungsregelung ein, wodurch die Ladespannung konstant gehalten wird. Dabei sinkt die Ladestromstärke zunächst schnell und dann langsam weiter ab. Bei diesem Ladegerät ist der Geräteeingangsstrom während des Ladevorganges auch nicht konstant, und die Aufladezeit bis zur Volladung ist beträchtlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Batterieladegerät zu schaffen, mittels dessen eine schnellstmögliche Aufladung von Akkumulatoren-Batterien trotz der Beschränkung des Geräteeingangsstromes durch Sicherungen gewährleistet ist

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Batterieladegerät der eingangs angegebenen Art der Regler bis zum Erreichen der Gasungsspannung den Ladestrom auf einen Wert einregelt, der dem auf der Primärseite erfaßten durch die Netzsicherung begrenzten Stromwert entspricht. Dadurch wird insbesondere erreicht, daß die Aufnahmeleistung des Batterieladegerätes und der Akkumulatoren-Batterie während des Ladevorganges bis zum Erreichen der Gasungsspannung konstant bleibt und somit die gerätemäßig maximale Leistung vom elektrischen Versorgungsnetz in die Batterie gelangt und dadurch die Aufladezeit minimiert wird.

F i g. 1 und 2 der Zeichnung sind Schaltbilder von Batterieladegeräten nach zwei Ausführungsbeispielen

des Erfindungsgegenstandes, während die F i g. 3 bis 8 Schaubilder zur Erläuterung der Wirkungsweise sind.

Bei beiden Ausführungsbeispielen ist die Primärwicklung I eines Eingangstransformators an ein einphasiges Wechselspannungsnetz 2 von 220 V angeschlossen, das mit Automaten zur Begrenzung des Stromes auf 16 A versehen ist

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel hat der Eingangstransformator zwei Sekundärwicklungen 3 und 4. An jede von diesen ist ein Gleichrichter 5 bzw. 6 angeschlossen. Diese Gleichrichter sind gleichstromseitig hintereinandergeschaltet und können jeweils eine angeschlossene Akkumulatorenbatterie 7 speisen. Das Windungsverhäitnis der Primärwicklung 1 und der Sekundärwicklung 3 und damit das diesbezügliche Transformator-Übersetzungsverhältnis ist 220 :120. Das heißt, die Sekundärwicklung 3 liefert an den Gleichrichter 5 eine effektive Wechselspannung von 120 V.

Das Windungsverhältnis zwischen der Primärwicklung 1 und der Sekundärwicklung 4 und damit das diesbezügliche Transformator-Übersetzungsverhältnis ist 220 :38. Die entsprechende effektive Sekundärspannung von 38 V tritt aber normalerweise nicht an dem Gleichrichter 6 auf. Denn in eine Verbindungsleitung zwischen der Sekundärwicklung 4 und dem Gleichrichter 6 sind Drosselspulen 8 eines Transduktor geschaltet Die zugehörige Steuerwicklung 9 ist an einen Regler 10 angeschlossen. Dieser erhält Energie über eine Hilfs-Sekundärwicklung 11 des Eingangstransformators. Ein Stromwandler 12, dessen Wicklung sich in einer Zuleitung von dem Netz 2 zu der Primärwicklung 1 befindet, liefert dem Regler 10 die Istwerte des jeweils durch die Primärwicklung 1 fließenden effektiven Wechselstromes. Die Ist-Werte der Batteriespannung werden dem Regler 10 durch zwei Leitungen 13 von den Anschluß-Klemmen 14 der Akkumulatorenbatterie 7 zugeführt

Der Regler 10 regelt über den Transduktor 8, 9 den dem Gleichrichter 6 zufließenden Strom und damit den ίο Ladestrom so, daß der durch die Primärwicklung 1 fließende Strom nicht den durch einen Automaten eingestellten Höchstwert des Netzstromes, ζ. Β. 16Α, erreicht

Es sei angenommen, daß die Akkumulatorenbatterie als Bleibatterie 72 Zellen hat und im ungeladenen Zustand eine Spannung von 2 V je Zelle, d. h. eine Batteriespanung von 144 V, hat und daß am Ende der Ladung die Batterie 2,4 V je Zelle, d. h. eine Spannung von 173 V, hat Wenn diese Spannung erreicht ist, setzt die Spannungsregelung ein, d. h., der Regler 10 sperrt den Transduktor 8,9.

F i g. 6 zeigt den Verlauf des von dem Gleicht ichter 5 gelieferten Ladestromes in arithmetischer Stromstärke

1 tr über der Batteriespannung Ub- Man sieht, daß die Batterie 7, wenn die Ladung bei 144 V beginnt, aus der Sekundärwicklung 3 und dem Gleichrichter S mit einem arithmetischen Strom von 18A geladen wird. Das Transformator-Übersetzungsverhältnis zwischen der Primärwicklung 1 und der Sekundärwicklung 3 ist so e>o gewählt, daß dem arithmetischen Gleichstrom von 18A die abgesicherte effektive Stromstärke von 16A im Netz

2 entspricht Die Ladung der Batterie 7 wird sonach zu Beginn allein von der Sekundärwicklung 3 bestritten. Demgemäß ist der Transduktor 8,9 durch den Regler 10 gesperrt so daß von der Sekundärwicklung 4 kein Strom zu dem Gleichrichter 6 Hießt. Das ist aus F i g. 7 ersichtlich, die über der Batteriespannung LJb den Verlauf des von Gleichrichter 6 an die Batterie 7 gelieferten arithmetischen Gleichstromes zeigt

F i g. 3 zeigt den Verlauf der von den Gleichrichtern 5 und 6 gelieferten, pulsierenden Gleichspannung u über der Zeit t

Zu Beginn der Ladung verläuft die Gleichspannung an dem Gleichrichter 5 nach der Linie u5 bei einer effektiven Spannung U_eii mit 120 V mit einem maximalen Wert us™« von 170 V. Soweit die Spannung U₅ die Batteriespannung Ub von 144 V zu Beginn der Ladung übersteigt was in F i g. 3 durch Schraffur hervorgehoben ist fließt von dem Gleichrichter 5 ein Ladestrom in die Batterie, der in Fig.4 mit /5 bezeichnet ist Dem entspricht der arithmetische Mittelwert I,_r von 18A.

In dem Maße, in dem die Batteriespannung beim Laden über den anfänglichen Wert von 144 V steigt wird der Überschuß der Spannung Us über der Batteriespannung kleiner und bei einer Batteriespannung von 170 V zu null. Das ist aus F i g. 6 ersichtlich.

Dem würde ein Absinken des im Netz 2 fließenden Stromes entsprechen. Doch bewirkt der Regler 10, daß mit dem Steigen der Batteriespannung zunehmend der Widerstand des Transduktors 8, 9 verringert wird, so daß zusätzlich der Gleichrichter 6 aus der Sekundärwicklung 4 Ladestrom liefert Das Ansteigen des arithmetischen Gleichstromes I₁^ mit steigender Batteriespannung Ub ist aus F i g. 7 zu ersehen.

Wenn die Batterie voll geladen ist und demgemäß ihre Spannung 173 V beträgt hat der von der Sekundärwicklung 4 über den Gleichrichter 6 gelieferte arithmetische Gleichstrom Ι_ίΛ den Wert von 13A erreicht Dem entspricht der Linienzug U5, e in F i g. 3, der den Verlauf der Summe der an den Gleichrichtern 5 und 6 herrschenden Gleichspannung über der Zeit t veranschaulicht

Der Überschuß dieser Spannung über der Batteriespannung Ub von 173 V, der in Fi g. 3 ebenfalls durch Schraffur hervorgehoben ist, liefert aus dem Gleichrichter 6 einen Strom k, dessen Verlauf über der Zeit t in F i g. 5 veranschaulicht ist. Dem entspricht der arithmetische Mittelwert des Ladestromes Z₃* von 13 A.

In F i g. 3 ist mit strichpunktierten Linien gezeigt wie dann, wenn der Transduktor 8, 9 völlig geöffnet wäre, die Spannung an den beiden Gleichrichtern 5, 6 entsprechend einer effektiven Spannung von 120 + 38 V verlaufen würde.

Aus F i g. 8 ist der Verlauf des gesamten Ladestromes hr über der Batteriespannung Ub ersichtlich, der sich aus der Addition der Ordinaten der Schaubilder nach F i g. 6 und 7 ergibt Danach wird die Batterie von Anfang an mit so großen Stromstärken geladen, daß der Strom im Netz 2 gerade noch unterhalb des Wertes von 16 A liegt auf den das Netz abgesichert ist Demgemäß erfolgt die Ladung der Batterie im Durchschnitt mit einer Stromstärke, die erheblich höher liegt als die — im gegebenen Beispiel 13 A betragende — höchst mögliche Ladestromstärke bei voll geladener Batterie.

Fig.2 zeigt, daß die Erfindung auch mittels eines üblichen Stell-Transformators verwirklicht werden kann. Dieser hat eine einzige Sekundärwicklung 15, von der unterschiedliche Sekundärspannungen mittels eines vom Regler 10 betätigten Schleifers 16 abgenommen werden. Diese Sekundärspannungen werden einem einzigen, die Batterie 7 speisenden Gleichrichter 17 zugeführt. Mittels des Schleifers 16 wird das Transformator-Übersetzungsverhältnis so eingestellt, daß jeweils ein größtmöglicher Ladestrom verwirklicht wird, dem ein effektiver Netzstrom knapp unterhalb des

durch den Automaten bestimmten Höchstwertes von z. B. 16 A entspricht. Demgemäß wird zu Beginn des Ladens, wenn die Batteriespannung 144 V beträgt, von dem Schleifer 16 an der Sekundärwicklung 15 eine effektive Spannung von 120 V abgegriffen, während das Netz eine effektive Spannung von 220 V hat. In dem Maße, in dem die Batteriespannung steigt, greift der Schleifer zunehmend größere Sekundärspannungen ab, bis die Ladung der Batterie bei 173 V beendet ist. Hierbei erfolgt die Einstellung des Schleifers 16 durch den Regler 10 jeweils so, daß die Netzspannung knapp unterhalb der vom Automaten eingestellten Spannung liegt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gerät zum Laden von Akkumulatoren-Batterien aus einem Wechselspannungsnetz über wenigstens einen Transformator und wenigstens einen Gleichrichter mit einem Regler, der unterschiedliche Transformator-Übersetzungsverhältnisse so wirksam werden läßt, daß bei der niedrigsten Batteriespannung eine erheblich niedrigere Wechselspannung am Gleichrichter auftritt als bei der höchsten Batteriespannung, und der mit Erreichen der Gasungsspannung der Akkumulatoren-Batterie eine Spannungsregelung oder Stromregelung wirksam werden läßt, durch die die Akkumulatoren-Batterie nachgeladen wird, dadurch gekennzeich- '5 net, daß der Regler (10) bis zum Erreichen der Gasungsspannung den Ladestrom auf einen Wert einregelt, der dem auf der Primärseite erfaßten, durch die Netzsicherung begrenzten, Stromwert entspricht

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine (3) von zwei Sekundärwicklungen des Transformators mit dem der niedrigsten Batteriespannung entsprechenden Transformator-Übersetzungsverhältnis einen (5) von zwei in Reihe geschalteten Gleichrichtern speist, während zwischen die andere Sekundärwicklung (4) und den anderen Gleichrichtern (6) ein von dem Regler (10) beeinflußtes Stellglied (8) zur Stromregelung im Sinne einer Anpassung des Transformator-Überset-Zungsverhältnisses an den Geräteeingangsnennstrom eingefügt ist

3. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator als Stell-Transformator (1, 15) ausgebildet ist, dessen Übersetzungsverhältnis durch ein mit dem Regler (10) in Verbindung stehendes Stellglied (16) geregelt ist.