DE2348332B2 - Schaltungsanordnung zum laden eines elektrischen sammlers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen, aus der »Funkschau« 1973, S. 600, bekannten Art. Mit einer Phasenanschnittregelung arbeitende Ladeanordnungen haben gegenüber Anordnungen mit Widerstandsumschaltung den Vorteil, daß sie mit verhältnismäßig geringem Aufwand zeitoptimiert ausgeführt werden können, während hierfür bei der anderen Art derartiger Ladeanordnungen eine Vielzahl von Widerstandsumschaltungen erforderlich ist. Bei der Phasenanschnittregelung wird bekanntlich die dem zu ladenden Sammler, also beispielsweise einer Batterie, zugeführte Energie dadurch geregelt, daß das Ventil, beispielsweise ein Thyristor oder ein Triac, nur in einem bestimmten Bereich der Halbwellen der zugeführten Spannung durchlässig gesteuert wird.

j5 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art, also mit Phasenanschnittregelung, zu schaffen, die trotz Verwendbarkeit zum Aufladen von Sammlern unterschiedlicher Sollspannungen und großer Zuverlässigkeit sowie Genauigkeit einen einfachen, wartungsfreundlichen Aufbau besitzt. Insbesondere soll sich die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung im verhältnismäßig rauhen Werkstattbetrieb zum Aufladen von Fahrzeugbatterien mit Vorteil einsetzen lassen. Unter einer wartungsfreundlichen Anordnung wird eine solche verstanden, die beim Auftreten von Fehlern in einfacher Weise einen Austausch einzelner Baugruppen ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Die Verwendung von Komparatoren im Rahmen von Schaltungsanordnungen zum Aufladen elektrischer Sammler für sich ist bekannt. So verwendet die Anordnung nach der DT-OS 21 20 013 einen Komparator zum Vergleich der Potentiale der negativen Platte des Sammlers und einer Bezugselektrode; die Potentialdifferenz wird zur Gewinnung eines Steuersignals für den Ladestrom ausgenutzt.

bo Die Unteransprüche betreffen zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung. Es sei darauf hingewiesen, daß die Verwendung eines Polungsprüfers (Anspruch 3) aus der DT-OS 20 05 280 und die Verwendung eines Welligkeitsprüfers (Anspruch 3) aus der DT-OS

h5 20 03 742, jeweils für Ladegeräte, bekannt sind.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, daß die verschiedenen Umschalter nicht im Bereich der Phasenanschnittregelung vorgesehen zu

sein brauchen, sondern, soweit sie die Phasenanschittre· gelung betreffen, im Zuge derjenigen Leitung, die an den Verschiebeeingang des die Regelung bildenden Bausteins, der im Rahmen der Erfindung als anderer Eingang bezeichnet ist, führt. Dadurch ist es 'nögiich, zur Darstellung der Phasenanschnittregelung einen Baustein zu verwenden, der als monolithisch integrierte Schaltung ausgebildet ist. Beim Auftreten eines Fehlers ist es ohne große Verbindungsarbeit demgemäß möglich, diesen Baustein gegen einen fehlerfreien auszuwechsein. Gegebenenfalls kann man diesen Baustein steckbar im Rahmen der übrigen Schaltungsanordnung halten.

Die zeitliche Optimierung des Aufladungsvorganges wird dadurch sichergestellt, daß zunächst eine Aufladung mit konstantem Strom erfolgt, so daß der mehr oder weniger weit entladene und daher einen kleinen Widerstand darstellende Sammler zunächst nicht einen gefährlich hohen Strom ziehen kann, während anschließend eine Umschaltung auf Ladung mit konstanter Spannung erfolgt, damit die Gasungsspannung des aufzuladenden Sammlers nicht überschritten wird. Auch hier ist durch Vorsehen der erforderlichen Umschalter außerhalb der eigentlichen Regler, nämlich im Anschluß an ihre Ausgänge, die Möglichkeit gegeben, die Regler als Bausteine auszubilden.

Schließlich ist noch ein dritter Umschalter vorhanden, der eine Einstellung der Schaltungsanordnung auf den jeweiligen Spannungssollwert des zu ladenden Sammlers automatisch durchführt. Er wird mittels eines ersten !Comparators betätigt, dem während eines vorgegebenen Zeitintervalls unmittelbar nach der Einschaltung der Anordnung sowohl eine Referenzspannung als auch die Spannung bei dem angeschlossenen Sammler zugeführt wird, während dieser unter konstanten Bedingungen — hierzu wird dem die Phasenanschnittregelung darstellenden Baustein eine konstante Verschiebespannung zugeführt — so weit aufgeladen wird, daß der erste Komparator seinen Umschalter — also den dritten Umschalter — in die der Sollspannung des angeschalte- 4« ten Sammlers entsprechende Lage bringen kann.

Wenn auch durch diesen dritten Umschalter entsprechend der jeweiligen Sollspannung Umschaltungen innerhalb der beiden Regler und des zweiten !Comparators vorgenommen werden, schließt dies jedoch auch « hierfür die Verwendung von Bausteinen nicht aus. Beispielsweise können die beiden Regler jeweils eine der Anzahl der Sollspannungen der zu ladenden Sammler entsprechende Anzahl von Einzelreglern enthalten; der dritte Umschalter ist dann so eingeschleift, daß er nur die Ausgänge der für die Sollspannung des jeweils angeschlossenen Sammlers ausgelegten Einzelregler mit dem anderen Eingang der Phasenanschnittregelung verbindet. Hier können also die Einzelregler als Bausteine eingesetzt werden im Rahmen einer Schaltung, die dann den zweiten Umschalter enthält. In entsprechender Weiterbildung wird der zweite Komparator, der also die Umschaltung von der Ladung mit konstantem Strom auf Ladung mit konstanter Spannung vornimmt, eine der Anzahl der t>o Sollspannungen der zu ladenden Sammler entsprechende Anzahl von Einzelkomparatoren mit jeweils einem zweiten Einzelumschalter enthalten, von denen jeder den Ausgängen der für dieselbe Sollspannung der Sammler ausgelegten Einzelregler der beiden Regler t>-> zugeordnet ist.

Der Ladevorgang wird, wie bereits angedeutet, nach dem Anschalten des zu ladenden Sammlers durch Betätigen eines Startschaiters ausgelöst. Es ist zweckmäßig, in Reihe mit dem Startschalter einen nur bei richtiger Polung des Sammlers geschlossenen Kontakt eines Polungsprüfers vorzusehen, der einen über ein stromrichtungsabhängiges Schaltungsteil, beispielsweise eine Diode, angesteuerten elektronischen Schalter enthält.

Schutzvorrichtungen zur Vermeidung von Schaden beim unrichtigen Anschluß von Sammlern sind für sich Stand der Technik; vgl. in diesem Zusammenhang die DT-OS 20 18 281.

Während sich die eben beschriebenen Schaitungsmaßnahmen auf den Schutz bei angeschlossenem, und zwar falsch angeschlossenem Sammler beziehen, befaßt sich eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung mit der Vermeidung unzulässig hoher Spannungen nach Entfernen des Sammlers. Diese Schaltmaßnahme sorgt dafür, daß nach Abschalten des Sammlers die Schaltungsanordnung wieder in ihren Ausgangszustand zurückkehrt, so daß nicht vom vorherigen Ladeprozeß her noch an den Anschlußklemmen für den Sammler eine unzulässig hohe Spannung steht. Diese Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß in Reihe mit dem Startschalter ein nur bei angeschlossenem Sammler geschlossener Kontakt eines Welligkeitsprüfers für die Ladespannung liegt, der einen über eine Gleichrichteranordnung für den welligen Anteil der Ladespannung angesteuerten elektronischen Schalter enthält. Hier wird also die Tatsache ausgenutzt, daß sich unmittelbar nach dem Abschalten des Sammlers in der bisher seine Ladespannung darstellenden Spannung ein relativ großer welliger Anteil zeigt, und dieser wird nach Gleichrichtung ausgenutzt zum Auslösen eines Schaltvorganges.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt die Figur.

An die Anschlußklemmen a und b ist der zu ladende Sammler, hier eine Kraftfahrzeugbatterie 1, angeschlossen. Das Aufladen erfolgt mittels der den Klemmen c und f zugeführten Wechselspannung, die über die Drossel 2, den Transformator 3 und die Zweiweg-Gleichrichterschaltung 4 an die Klemmen a und b gelangt. Bestimmend für denjenigen Teil der Halbwellen der Spannung an den Klemmen c und d, die zum Gleichrichter 4 gelangen, ist nun die Steuerung des Ventils, das in diesem Ausführungsbeispiel durch einen Triac 5 gebildet ist. Grundsätzlich wäre es auch möglich, ein oder mehrere andere Ventile, beispielsweise Thyristoren, zu verwenden. Die Ansteuerung des Triac 5 erfolgt über den Impulsübertrager 6 von dem die eigentliche Phasenanschnittregelung darstellenden Baustein 7 her. Da in der als Beispiel herangezogenen erfindungsgemäßen Schaltung als Ventil ein Triac 5 Einsatz findet, sind die beiden ausgangsseitigen Dioden 8 und 9 des Bausteins 7 vor dem Widerstand 10 zusammengefaßt.

Der Baustein 7 enthält einen Spannungskomparator, der die Amplitude der an seinen Eingang e geführten Sägezahnspannung vergleicht mit der Verschiebespannung, die seinem Eingang f zugeführt wird. Diese Verschiebespannung wird dem Baustein 7 über die Leitung 11 zu Beginn des Aufladevorganges aus dem Schaltungsteil 12 als an dem Potentiometer 13 abgegriffene konstante Gleichspannung oder später, d. h. nach Umlegen des ersten Umschalters 14, über einen der zweiten Umschalter 15 und 16 in der Schalteinheit 17 zur Umschaltung von Ladung mit konstantem Strom auf Ladune mit konstanter Spannung

und den dritten Umschalter 18 in der Schalteinheit 19 zur Ermittlung des Sollwerts der Spannung der jeweils aufzuladenden Batterie zugeführt.

Da es für die Herstellung dieser Verbindungen also auf den jeweiligen Zeitpunkt während des Aufladevor- ^ri ganges ankommt, werden die weiteren Einzelheiten der Schaltung anhand des Ablaufs eines Aufladevorganges beschrieben:

Die aufzuladende Batterie wird zunächst an die Klemmen a und b angeschlossen. Sodann wird die κι Starttaste 20 in dem Polungsprüfer 21 gedrückt, so daß das Relais 22 über seine Arbeitskontakte 23, 24 und 25 verschiedene Stromkreise mit in diesem Falle drei unterschiedlichen Spannungen versorgen kann. Dann kommt auch Relais 26, das mit seinem Kontakt 27, der in ι ^Γ> dem Regler 28 für Ladung mit konstantem Strom liegt, den Ladestromkreis für den Sammler 1 vorbereitet. Gleichzeitig zeigt die Lampe 29 den Beginn der Ladung an.

Dies setzt jedoch voraus, daß das Relais 30 in dem Polungsprüfer 21 seinen Arbeitskontakt 31 geschlossen hat, der in Reihe mit dem Startschalter 20 liegt. Nur dann, wenn die Batterie 1 mit richtiger Polung an die Anschlußklemmen a und b angeschlossen ist, liegt an der Klemme a das zum Durchschalten der Diode 32 2^r> erforderliche Potential, so daß der Transistor 33 durchlässig wird und das Relais 30 anspricht. Bleibt das Relais 30 dagegen aberregt, so zeigt die Lampe 34 an, daß die Batterie 1 mit falscher Polung angeschlossen worden ist.

In Reihe mit dem Startschalter 20 liegt ferner der in dem Schaltungsteil 35 zur automatischen Abschaltung beim Abklemmen der Batterie enthaltene Kontakt 36 des Relais 37. Dieser Schaltungsteil wird nur dann wirksam, wenn unmittelbar nach Beendigung eines Aufladevorganges und Entfernen der aufgeladenen Batterie noch der Regler 38 zur Aufladung mit konstanter Ladespannung durch einen der Umschalter 15 und 16 wirksam ist, also die Ladevorrichtung auf relativ hohe Spannung eingeschaltet ist. Dann enthält die Ladespannung, d. h. die Spannung an den Klemmen a und b, einen relativ großen welligen Anteil, der über den Zweiweg-Glcichrichtcr 39 gleichgerichtet und dem Transistor 40 zugeführt wird, der dann das Relais 37 bringt, das mit seinem Kontakt 36 die Anordnung stromlosmacht.

Nimmt man einmal an, daß der Kontakt 36 geschlossen ist und daß die Batterie 1 mit richtiger Polung angeschlossen, d. h. auch der Kontakt 31 geschlossen ist, so wird zunächst das Schaltungsteil 12 wirksam, das feststellen soll, für welche Sollspannung die jeweils aufzuladende Batterie ausgelegt ist. Dieses Schallungsteil 12 enthält den über den Kontakt 25 des Relais 22 jetzt an Spannung gelegten Monoflop 41, der das Relais 42 für eine vorbestimmte Zeit bringt und demgemäß den Kontakt 14 für diese vorbestimmte Zeit in die gezeichnete Lage bewegt. Das bedeutet, daß der Vcrschicbespannungscingang f des Bausteins 7 nunmehr eine konstante Gleichspannung vom Potentiometer 13 her zugeführt erhält, so daß die Batterie 1 unter wi definierten Verhältnissen in dieser Zeitspanne aufgeladen wird. Die Klemme b isl über die Leitung 43 mit dem einen Eingang 44 des ersten Komparator 19 verbunden, dessen anderer Eingang 45 an einer Referenzspannung liegt. Sobald die Spannung an der Klemme b einen (.-. vorbestimmten Wert überschreitet, wird das Relais 46 erregt, das seinen den dritten Umschalter bildenden Kontakt 18 umlegt. )u nach der Höhe der Spannung, die sich an der Batterie 1 während des durch dii Arbeitsweise des Monoflops 41 vorgegebenen Zeitin tervalls, beispielsweise 20 Sekunden, aufbaut, wählt als« der dirtte Umschalter eine der beiden Leitungen 47 um 48 für die Zuführung einer Verschiebespannung zu den Baustein 7 aus. Wie unmittelbar aus der Figui ersichtlich, enthält die Leitung 47 den Kontakt 16 dagegen die Leitung 48 den Kontakt 15 des zweiter Umschalters, der dem zweiten Komparator 17 zugeord net ist. Betrachtet man nun den Regler 28 für Ladung mit konstantem Ladestrom, so enthält er zwe Einzelregler 49 und 50, die bis auf die Auslegung dei Spannungsteiler an ihren in der Figur linken Eingänger identisch aufgebaut sein können. An den Eingängei beider Einzelregler 49 und 50 liegt als Maß für der Istwert des Ladestromes der Spannungsfall an den Shunt 51. Es wird jedoch in Abhängigkeit von den mittels des Sollspannungsmessers 19 ermittelten Wert: des Sollwerts der zu ladenden Batterie 1 nur jeweils de Ausgang eines der Einzelregeler 49 und 50 über dei dritten Umschalter 18 mit dem Verschiebeeingang /de Phasenanschnittsreglers 7 verbunden. Diese Ansteue rung des Bausteins 7 von den Reglern her ist natürlicl erst nach Ablauf des durch den Monoflop 4 bestimmten Zeitintervalls, d. h. nach Umlegen des erstei Umschalters 14 in seine andere Stellung, möglich.

Nach Beendigung dieses Zeitintervalls erfolgt als( zunächst eine Aufladung mit konstantem Ladestrom, s< daß auch bei weitgehend entladener Batterie 1 keim unzulässig hohen Ströme auftreten können. Dabei wir< die Regelabweichung zwischen einer vorgegebener festen Spannung und dem Spannungsfall am Shunt 51 ir dem Differenzverstärker 52 ermittelt, dessen Ausganj über die Leitung 54 mit den Einzelreglern 40 und 5( verbunden ist. Sobald der Spannungsfall am Shunt 51 sinkt, also die Ausgangsgröße des Differenzverstärker: 52 größer wird, erfolgt über einen der Einzelregler 4! und 50 eine Ansteuerung des Phasenanschnittreglers ', so, daß dessen Ausgangsgröße wächst.

Sobald nun die Spannung an der Batterie 1 einer vorgegebenen Wert erreicht hat, wird der zweiti Komparator 17 wirksam. Er enthält zwei Einzelkompa ratorcn 55 und 56, deren Relais 57 und 58 Kontakti haben, die die zweiten Umschalter 15 und 16 darstellen Wenn also beispielsweise bei einem Sammler 1 mit eine Sollspannung von 6 Volt eine Spannung von 7,2 VoI erreicht ist, wird der Einzelkomparator 56 wirksam un< legt den Kontakt 16 um, so daß nunmehr der Regler 21 zur Ladung mit konstantem Ladestrom ab- und de Regler 38 zur Ladung auf konstante Spannunj eingeschaltet wird. Dadurch ist sichergestellt, daß eim kritische Spannung an der Batterie 1 nicht überschrittci wird. Handelt es sich dagegen um eine Batterie mit eine Sollspannung von beispielsweise 12 Volt, so wird de andere Einzelkomparator 55 beispielsweise bei eine Spannung von etwa 14 Volt an der Batterie 1 wirksan und bewirkt dieselbe Umschaltung über den zweitei Umschalter 15. In Abhängigkeit davon, welchei Sollwert die Batterie 1 jeweils besitzt, wählt der dritti Umschalter 18 die Leitung 47 oder 48 zur Weiterlcituni eines Signals an den Eingang /"in der Schaltcinheit 7 aus

Auch der Regler 38 zur Ladung auf konstant Spannung enthält zwei Einzclregler 59 und 60, derei cingangsscitigc Spannungsteiler entsprechend dei unterschiedlichen Sollwerten eingestellt sind. Auch di' Eingänge der beiden Einzclregler 59 und 60 liegci dauernd über die Leitung 43 an der Spannung de Batterie 1. Man erkennt, daß die beiden Leitungen 4'

und 48 den jeweils einem Sollwert zugeordneten Einzelreglern 49 und 59 bzw. 50 und 60 der beiden Regler sowie den beiden Einzelkomparatoren 55 und 56 gemeinsam sind. Über die mittels des dritten Umschalters 18 jeweils ausgewählte der Leitungen 47 und 48 wird nun während der Ladung mit konstanter Spannung ein unmittelbar aus der Spannung an der Batterie 1

gewonnenes Signal dem Eingang f des Phasenanschnittsreglers 7 zugeführt.

Wie ersichtlich, sind die verschiedenen Umschalter so gelegt, daß sie sich zwischen den Ein- und Ausgängen der verschiedenen Bausteine der Schaltung erstrecken, so daß Eingriffe in die einzelnen Schaltcinheiten nicht erforderlich sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Schaltungs-Anordnung zum Laden eines elektrischen Sammlers zunächst mit konstantem Strom, dann mit konstanter Spannung mit Anschaltung des Sammlers an eine Wechselspannungsquelle über zumindest ein steuerbares Ventil, dem eine Phasenabschnittregelung zugeordnet ist mit einem Spannungskomparator, dessen einem Eingang eine synchronisierte Sägezahnspannung und dessen anderem Eingang eine Verschiebespannung zugeführt wird und der aus diesen beiden Spannungen Ansteuerimpulse für das Ventil erzeugt, und mit Reglern zur Aufladung mit konstantem Strom bzw. konstanter Spannung, deren Ausgangsspannungen als Verschiebespannung dem anderen Eingang des (Comparators zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenanschnittregelung mit dem Spannungskomparator durch einen Schaltungsbaustein (7) gebildet ist und zwischen dem anderen Eingang (f) einerseits und einer konstanten Gleichspannungsquelle (13) sowie Ausgängen der Regler (28, 38) andererseits ein erster Umschalter (14) liegt, der über eine von einem Startschalter (20) für den Ladevorgang betätigte Zeitschaltung (41) den anderen Eingang (f) nur für eine zur Ermittlung der Sollspannung des Sammlers (1) in einem ersten Komparator (19), der nach einer vorgegebenen Aufladezeit die Spannung am Sammler (1) mit einer Referenzspannung vergleicht, erforderliche Aufladezeit desselben mit der dann die Verschiebespannung liefernden Gleichspannungsquelle (13) und anschließend mit jeweils einem der Reglerausgänge verbindet, der durch zwischen dem ersten Umschalter (14) und den Reglerausgängen liegende zweite (15,16) und dritte (18) Umschalter bestimmt ist, von denen der zweite (15, 16) Umschalter Bestandteil eines den Reglern (28, 38) zugeordneten zweiten !«Comparators (17) zur bei Erreichen einer vorgegebenen Sammlerspannung erfolgenden Abschaltung eines Reglers (28) für Aufladung mit konstantem Ladestrom von dem anderen Eingang (I) und Anschaltung eines Reglers (38) für Aufladung mit konstanter Ladespannung sowie der dritte Umschalter (18) Umschaltungen innerhalb der beiden Regler (28, 38) und des zweiten !Comparators (17) entsprechend der Sollspannung des Sammlers (1) vornehmender Bestandteil des ersten !Comparators

(19) ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Startschalter (20) ein nur bei richtiger Polung des Sammlers (1) geschlossener Kontakt (31) eines Polungsprüfers (21) liegt, der einen über ein stromrichtungsabhängiges Schaltungsteil (32) angesteuerten elektronischen Schalter (33) enthält.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit dem Startschalter

(20) ein nur bei angeschlossenem Sammler (1) geschlossener Kontakt (36) eines Welligkeitsprüfers (35) für die Ladespannung liegt, der einen über eine Gleichrichteranordnung (39) für den welligen Anteil der Ladespannung angesteuerten elektronischen Schalter (40) enthält.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Regler (28, 38) jeweils eine der Anzahl der Sollspannungen der zu ladenden Sammler (1) entsprechende Anzahl von

Einzelreglern (49,50; 59,60) enthalten und der dritte Umschalter (18) nur die Ausgänge der für die Sollspannung des jeweils angeschlossenen Sammlers (1) ausgelegten Einzelregler (49,50; 59,60) mit dem anderen Eingang ß> verbindet.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Komparator (17) eine der Anzahl der Sollspannungen der zu ladenden Sammler (1) entsprechende Anzahl von Einzelkomparatoren (55, 56) mit jeweils einem zweiten Einzelumschalter (15, 16) enthält, von denen jeder (15, 16) den Ausgängen der für dieselbe Sollspannung der Sammler (1) ausgelegten Einzelregler (49, 50; 59,60) der beiden Regler (28,38) zugeordnet ist.