DE2354178A1

DE2354178A1 - Gesteuertes batterie-ladesystem

Info

Publication number: DE2354178A1
Application number: DE19732354178
Authority: DE
Inventors: Arthur James Catotti; John Sperry Hodgman; Ferdinand Henry Mullersman
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Gates Energy Products Inc
Priority date: 1972-11-01
Filing date: 1973-10-30
Publication date: 1974-05-09
Also published as: CA998099A; JPS5616631B2; DE2354178C2; JPS4977145A; US4006397A

Description

Dr. Horst Schüler

Patentanwalt
ό Frankfurt/Main 1

Niddastr. 52

29. Oktober 1973 Vo/es-ro

2429-36-BA-3214

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road
Schenectsdy, N.Y. , U.S.A.

Gesteuertes-Batterie-Ladesystem

Die Erfindung bezieht sich auf Batterie-Ladegeräte und insbesondere auf Batterie-Ladegeräte mit zugehörigen Mitteln zum Abtasten der Zustände in der Batterie.

Das schnelle Laden von Batterien, wie beispielsweise Nickel-Kadmium-Zellen, beinhaltet Probleme, die sich sowohl auf Überspannungs- als auch thermische Zustände beziehen. Eine Aufladung über eine vorbestimmte Spannung hinaus kann eine unzulässige Gasentwicklung verursachen, die ihrerseits die Separatoren und die Platten beschädigen kann, oder der dabei entstehende Druck kann das Zellengehäuse selbst zerreißen. Eine Überhitzung kann ebenfalls zu erhöhten Gasentwicklungsgeschwindigkeiten und desgleichen zu Problemen wegen der hohen Temperatur selbst führen, wie es allgemein bekannt ist.

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Aufgrund der allgemeinen Bekanntheit dieser Probleme gibt es einen umfangreichen Stand der Technik in bezug auf temperaturempfindliche Ladeschaltungen, spannungsempfindliche Ladeschaltungen und temperatür-kompensierte Spannungsabtastschaltungen. In den meisten Fällen sind die bekannten Anordnungen jedoch nicht in der Lage gewesen, die Probleme zufriedenstellend zu lösen, die zu einer Beschädigung der Batterie führen. Spannungsempfindliche Mittel verwendende Batterien erfordern Zellen mit eng gesteuerten und angepaßten Zellenspannungscharakteristiken. Selbst bei solchen idealen Batteriecharakteristiken kann die Batterie mit diesen Systemen bei Tempersturen aufgeladen werden, die so hoch oder so niedrig sind, daß sie eine Beschädigung der Batterie bewirken.

Die Schwierigkeit einer Lösung sowohl der Spannungs- als auch Temperaturprobleme durch Spannungsabtastung liegt wenigstens teilweise darin begründet, daß der Betrieb des Batterie-Ladesystems in sich stark ändernden Umgebungsbedingungen erfolgen kann, wodurch es schwierig gemacht wird, beispielsweise für eine ausreichende Temperaturkompensation in einer Spannungsabtastschaltung für alle möglichen Betriebsbedingungen zu sorgen. Beispielsweise könnte ein temperatür-kompensiertes Spannungsabtast-Batterie-Ladesystem die Batterie trotzdem nachteiligen Temperaturwerten aussetzen, bevor der vorgewählte Spannungswert erreicht worden ist. Der Grund hierfür kann in der hohen Umgebungstemperatur liegen oder in wiederholten Lade-Entladezyklen. Umgekehrt könnte ein Batterie-Ladesystem, das einer sehr kalten Umgebung ausgesetzt ist und nur von der Temperatur als ein Steuermittel abhängt, weiterhin im Überladungszustand verbleiben, ohne daß der vorbestimmte Temperaturgrenzpunkt erreicht wird. Ein Batterie-Ladesystem in einem Flugzeug beispielsweise kann einer sehr hohen Umgebungstemperatur auf der Erde in einer äquatorialen Zone und sehr niedrigen Temperaturen während des Fluges ausgesetzt sein.

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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb im wesentlichen darin, ein Ladegerät mit zusammenarbeitenden Temperatur- und Spannungsabtastmitteln zu schaffen.

Erfindungsgemäß ist ein Batterie-Ladegerät mit einer Ladeschaltungsanordnung versehen, die eine Schaltung für eine hohe Ladegeschwindigkeit umfaßt, die durch Temperaturabtastmittel und Spannungsabtastmittel gesteuert wird.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung verschiedener AusführungsbeispieP näher erläutert.

I⁷Xg. 1 ist ein Funktionsblockdisgramm des erfindungsgemäßen Lade-

Fig. 2 ist ein schematisches Schaltbild und zeigt ein bestimmtes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Figuren 3 bis 6 sind schematische Schaltbilder von weiteren Aus-

führungsbelspielen der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Ladesteuersystem als, Blockdiagramm dargestellt» Eine Batterie 10, die eine oder mehrere Zellen umfaßt, wird von einer gleichgerichteten Stromquelle 12 aufgeladen, die in üblicher Weise von einem Wechselstromnetz gespeist werden kann. Der Strom von der Quelle 12 wird über einen Schalter 20 zur Batterie geleitet. Der Schalter 20 kann in seiner einfachsten Form lediglich ein Relais darstellen, das den Strom abschaltet. Vorzugsweise kann ein für eine niedrige Aufladegeschwindigkeit sorgender Parallelpfad 30 vorgesehen werden, um der Batterie 10 von der Stromquelle 12 Ladestrom mit kleiner Geschwindigkeit zuzufahren,- wenn der Schalter 2O ausgeschaltet ist. Der Schalter 20 wird seinerseits durch eine OR-Logik 40 gesteuert, die ihrerseits mit einer Temperaturabtasteinrichtung 60 und einem Spannungsdetektor 80 gekoppelt

Die Temper?turabtpsteinrichtung 6O ist thermisch mit der Batterie 10 gekoppelt um deren Temper?tür zu überwachen und die abgetastete Temperatur in ein Sign?] umzuwandeln, das der Schaltung 40 zugeführt wird. Die Spannungsabtasteinrichtung 80 tastet die Spannung von einer oder mehreren Zellen der Batterie 10 ab und gibt ein entsprechendes elektrisches Signal zur Logikschaltung 4O zurück. Die Logik vergleicht ,"jede der Spannungen, die auf entsprechende Weise von entweder der Spannungsabtasteinrichtung 80 oder der Temperaturabtasteinrichtung 60 erhalten werden, mit einer Bezugs- bzw. Referenzspannung. Wenn die von einer dieser Abtasteinrichtungen aufgenommene Spannung die Referenzspannung überschreitet, was noch anhand von Fig. 2 im einzelnen erläutert werden wird, wird ein Signal an den Stromschslter 2O gegeben, um den für eine schnelle Aufladung sorgenden Strompfad zu unterbrechen. Somit werden zwei unabhängige Parameter, die Temperatur und die Spannung, unabhängig abgetastet und dann in ein Spannungssignal umgesetzt, das zum Stromschalter übertragen wird, und zwar unabhängig davon, ob das Signal seinen Ursprung im Temperatur- oder Spannungssensor hat.

Somit kann das System eingesetzt werden, um für eine Temperaturgrenze zu sorgen, d.h. eine Unterbrechung der hohen Ladegeschwindigkeit, bei einer vorgewählten Temperatur, über die hinaus eine Beschädigung der Batterie auftreten könnte. Gleichzeitig liefert das System eine Spannungsgrenze, d.h. eine Unterbrechung der großen Ladegeschwindigkeit, wenn eine vorbestimmte Batteriespannung erreicht ist. Da die die volle Ladung anzeigende Spannung anwächst, wenn die Temperatur in elektrochemischen Zellen sinkt, was beispielsweise für Kadmium-Nickel-Zellen der Fall ist, schützt ein derartiges Abschneiden die Batterie bei niedrigen Temperaturen, wenn die Temperaturabtasteinrichtung weniger effektiv sein würde.

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Es sei im dieser Stelle darauf.hingewiesen, dnß die Spannungsabtasteinrichtung erfindungsgemäß ebenfalls durch einen Temperatursensor thermisch kompensiert sein kann, um für einen gewissen, hinsichtlich der Bntterietemperatür kompensierten Bereich der Endspannung zu sorgen. Dieser. Temperatursensor in der Spannungsabtastschaltung ist jedoch trotzdem unabhängig von der Temperaturabtasteinrichtung. In einem derartigen System sorgt die Temperaturabtasteinrichturig weiterhin für einen Schutz bei hohen Umgebungstemperaturen, während die thermisch kompensierte Spannungsabtasteinrichtung für einen Schutz bei niedrigen Umgebungstemperaturen sorgt.·

In Fig. 2 ist eine Schaltungsanordnung schematisch gezeigt, die dem Blockdiagramm gemäß Fig. 1 entspricht. Die Batterie 10 wird durch die Ladestromquelle 12 aufgeladen, die einen Transformator 14 und Dioden 16 und 18 umfaßt, welche eine zweiseitig gleichgerichtete Batterie-Ladequelle bilden. Der Stromschalter 20 umfaßt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen steuerbaren Siliziumgleichrichter 22 und einen Widerstand 24, der zwischen die Steuerelektrode bzw. das Gate und die Anode des steuerbaren Silxzxumgleichrxchters geschaltet ist. Der dargestellte, für eine niedrige Ladegeschwindigkeit sorgende Parallelpfad 30 umfaßt einen Widerstand 32, der dem steuerbaren Siliziumgleichrichter 22 parallel geschaltet ist.

Der Stromschalter 20 wird durch die Logikschaltung 40 gesteuert, die einen NPN-Transistor Ql umfaßt, dessen Kollektor mit der Steuerelektrode des steuerbaren Siliziumgleichrichters 22 gekoppelt ist und dessen Emitter mit der negativen Klemme der Batterie 10 in Verbindung steht. Wenn somit der Transistor Ql in seinem leitenden Zustand ist, leitet er Strom von der Steuerelektrode des steuerbaren Siliziumgleichrichters 22 abs, wodurch verhindert wird, daß dieser leitet. Die Basis des Transistors Ql ist ihrerseits über einen Widerstand 42 mit zwei Dioden Dl und D2 gekoppelt, die auf entsprechende Weise mit der Spannungsabtast-

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einrichtung 80 und der Temperaturabtasteinrichtung 60 verbunden sind. Ein Signal ausreichender Amplitude von einer dieser Abtasteinrichtungen sorgt für eine ausreichende Vorspannung pn der Basis des Transistors Ql, um eine ausreichende Leitfähigkeit des Transistors Ql zu bewirken, damit der steuerbare Siliziumgleichrichter 22 in einem nicht-leitenden Zustand bleibt.

Die Sppnnungsabtasteinrichtung 80 umfaßt einen Differenzverstärker mit Transistoren Q2 und Q3, die vorzugsweise aneinander angepaßt sind, um eine Temperaturabhängigkeit zu vermeiden. Die Basis des Transistors Q2 wird mit einer Bezugsspannung von einer Bezugsspannungsquelle 100 versorgt. Die Basis des Transistors Q3 ist mit einem Spannungsteiler verbunden, der der Batterie parallel geschaltet ist. Wenn die Batteriespannung ansteigt, nimmt die Spannung an der Basis des Transistors Q3 proportional zu. Wenn diese Spannung in bezug auf die Referenzspannung an der Basis des Transistors Q2 genügend ansteigt, kommt der Differenzverstärker in Ungleichgewicht, so daß ein größerer Strom durch den Transistor Q3 zu fließen beginnt, wodurch der Spannungsabfall über dem Widerstand 82 verändert wird, der zwischen die Spannungsquelle 100 und den Kollektor des Transistors Q3 geschaltet ist und ferner mit der Basis-Emitterstrecke von einem weiteren Transistor Q4 in Verbindung steht. Die daraus resultierende Änderung in der Vorspannung an der Basis des Transistors Q4 bewirkt einen Anstieg in dem Emitter-Kollektorstrom, der durch den Transistor Q4 fließt und der dann über die Diode Dl zur Basis des Transistors Ql in der Logikschaltung 40 fließt, wodurch der Schalter 2O ausgeschaltet wird, wie es bereits beschrieben wurde. Der durch den Transistor Q4 fließende Kollektor-Emitterstrom fließt auch über die Diode D3 zur Basis des Transistors Q3 zurück, um dadurch für eine Verriegelungs- oder Selbsthaltewirkung zu sorgen.

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Der vorstehend angegebene Spannungsteiler, der der Batterie 10 parallel geschaltet ist und die Signa!^spannung an die Basis des Transistors Q3 liefert, umfaßt einen ersten Widerstand 82 und einen zweiten variablen Widerstand 84. Der variable Widerstand ist über sein variables Kontaktstück mit der Basis des Transistors Q3 verbunden, um auf diese Weise Mittel.zur Einstellung der Schwellwertspannung zu bilden, die von der Spannungsabtasteinrichtung· abgetastet und dann an die Logiksehaltung angelegt werden soll.

Es sei darauf hingewiesen, daß der Transistor Q4 nicht Temperaturkompensiert sein muß, da die mit der Basis des Transistors Q4 verbundene Reihenschaltung, die den Transistor Q3 und den Widerstand 82 umfaßt, für eine Verstärkung sorgt, die groß genug ist, damit irgendeine Temperaturempfindlichkeit des Transistors Q4 von relativ geringem Einfluß ist.

Es sei ferner darauf hingewiesen _f daß die in Fig. 2 gezeigte Schaltungsanordnung für eine Spannungsabtastung der Spannung an der Batterie während solcher Zyklenabschnitte sorgt, i« denen keine Aufladung erfolgt, d,h. zwischen den Spitzen des welligen Ladestromes. Diese Auslegung wurde vorgenommen, um für eine genauere Abtastung der tatsächlichen Batteriespannung zu sorgen anstatt transiente Spannungsänderungen aufgrund von Spannungsschwankungen oder ähnlichem in der Ladeschaltung abzutasten. Dies wird dadurch erreicht, daß ein Teil der Ladequellenspannung über eine Diode 102 und einen Widerstand 104 an die Referenzspannungsquelle angelegt wird, um der konstanten Referenzspannung eine Welligkeitsspannung zu überlagern, die größer ist als jede an der Basis des Transistors Q3 erwartete Spannung. Der Wert des Widerstandes 104 ist so gewählt, daß eine angemessen große überlagerte Welligkeit sichergestellt ist. Die Diode 102 stellt sicher, daß eine endliche Zeitperiode vorhanden ist, während der die Größe der überlagerten Welligkeitsspannung Null ist.

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Die Temperaturabtasteinrichtunp GO ist so ausgelebt, daß sie etwa ähnlich wie die Spiinnungsabtasteinrichtung 80 arbeitet, um eine' Spannung an die Diode D2 in der Logikschaltung 40 anzulegen. Die Temperaturabtasteinrichtung 60 benutzt jedoch einen Spannungsteiler, bei dem ein Thermistor bzw. Heißleiter 62 mit negativem Temperaturkoeffizienten und ein variabler Widerstand 64 in einer Spannungsteilerschaltung verwendet werden, wobei eine Bezugsspannung von einer Bezugsspannungcq"elle benutzt wird. Der Thermistor 62 ist mit der Batterie 10 thermisch gekoppelt, während der variable Widerstand 64 mit der Basis des Transistors Q6 in Verbindung steht, um in ähnlicher Weise zu arbeiten, um den variablen Widerstand 84 mit der Basis des Transistors Q3 in der Spannungsabtastschaltung zu koppeln. Somit bilden die Transistoren Q5 und Q6 einen Differenzverstärker-Temperaturabtastdetektor, wobei die Basis des Transistors Q5 ebenfalls mit der Referenzspannung 100 gekoppelt ist. Wenn die Temperatur der Batterie ansteigt, ändert sich die Spannung über dem Thermistor 62, wodurch die Vorspannung an der Basis des Transistors Q6 ansteigt und für einen Anstieg in dem durch den Transistor Q6 fließenden Kollektor-Emitterstrom gesorgt wird, um dadurch den Spannungsabfall über dem Widerstand 62 zu ändern, der seinerseits die Vorspannung an der Basis des Transistors Q7 ändert, wodurch der hindurchfließende. Kollektor -Emitterstrom ansteigt, um ein Signal über die Diode D2 zur Logikschaltung 40 zu leiten. In diesem Sensor wird wie beim Spannungssensor ein Teil des Kollektor-Emitterstromes über den Transistor Q7 zurückgeleitet über eine Diode D4 zur Basis des Transistors Q6, um mit dieser eine Verriegelungs- bzw. Halteschaltung (latching circuit) zu bilden.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. In dieser Schaltungsanordnung wird der Wechselstrom durch einen steuerbaren Siliziumumgleichrichter 122 und eine Diode 124 gleichgerichtet_; um der Batterie 10 alternativ eine schnelle

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oder langsame Ladung zu geben.· Das Ladegerät wird von schnell auf langsam umgestellt, indem der Strom von der Steuerelektrode 122a des steuerbaren Siliziumgleichrichters 122 abgeleitet wird. Der Strom zur Steuerelektrode 122a wird durch einen steuerbaren Siliziumgleichrichter 130 gesteuert, der seinerseits eine Steuerelektrode L30a aufweist, der über Spannungsteilerschaltungen, die auf entsprechende Weise die Spannungsabtasteinrichtung und die Temperaturabtasteinrichtung umfassen, bestimmt, ob der steuerbare Siliziumgleichrichter 130 leitet.

Die Spannungsabtasteinrichtung umfaßt einen ersten Widerstand und einen zweiten variablen Widerstand 142, der mit dem Widerstand 140 in Reihe geschaltet ist. Der Widerstand 140 ist mit der positiven Seite der Batterie 10 gekoppelt und das gegenüberliegende Ende des Widerstandes 142 steht mitdem negativen Pol der Batterie 10 in Verbindung. Das variable Kontaktstück 142a des Widerstandes 142 ist über eine Diode 144 mit der Steuerelektrode 130p des steuerbaren Siliziumgleichrichters 130 gekoppelt. Der Widerstand 142a ist so eingestellt, daß er eine genügend positive Spannung liefert, um den steuerbaren Siliziumgleichrichter 130 zu zünden, wenn die Spannung auf der Batterie 10 einen vorbestimmten Wert erreicht, über den hinaus eine weitere Aufladung die Batterie beschädigen würde.

Die Temperaturabtasteinrichtung, umfaßt in diesem Ausführungsbeispiel einen Thermistor bzw. Heißleiter 150 und einen variablen Widerstand 152, die als Spannungsteiler der, Batterie 110 parallel geschaltet sind. Die Spannung an dem dazwischenliegenden Knotenpunkt 154 wird über eine Diode 156 an die Steuerelektrode 130a, des steuerbaren Siliziumgleichrichters 130 angelegt.

Im Betrieb steigt während der Aufladung der Batterie die Temperatur und desgleichen die Ausgangsspannung an. Wenn die Temperatur zunimmt, steigt der Widerstand des Thermistors 150. Dies ver-

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ändert den Spannungsabfall über dem Thermistor 150, wodurch die Spannung pm Knotenpunkt 154 zunimmt. Sollte die Spannung am Knotenpunkt 154 auf einen Wert ansteigen, der zum Zünden des steuerbaren Siliziumgleichrichters 130 ausreicht, fällt die Spannung an der Steuerelektrode 122a des steuerbaren Siliziumgleichrichters 122, wodurch der steuerbare Siliziumgleichrichter 122 gesperrt und dadurch die mit einem großen Strom erfolgende Aufladung der Batterie 10 unterbrochen wird. Somit führt ein Temperaturanstieg über einen vorbestimmten Punkt hinaus zur Abschaltung der mit einem starken Strom erfolgenden Aufladung. Die tatsächliche Einstellung oder Wahl der Temperatur wird durch Einstellung des variablen Widerstandes 152 gesteuert.

Es sei darauf hingewiesen, daß in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Thermistor, 15O mit dem negativen Pol der Batterie verbunden ist und deshalb der Knotenpunkt 154 immer positiver ist. Deshalb ist der Thermistor 150 so ausgewählt, daß er einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist. Wenn umgekehrt die Lage bzw. Anordnung des Thermistors 15O und des variablen Widerstandes 152 umgekehrt ist, d.h. wenn der Thermistor 150 mit dem positiven Pol der Batterie 10 verbunden ist, würde der Thermistor einen negativen Temperaturkoeffizienten benötigen. In jedem Fall sollte der Thermistor 15O selbstverständlich thermisch gekoppelt sein mit der Batterie 10, um für einen maximalen Wirkungsgrad bei der Abtastung und Übertragung der durch die Batterie erzeugten Wärme auf den Thermistor zu sorgen.

Somit werden schädliche hohe Temperaturen vermieden, indem der Ladestrom abgeschaltet wird, wenn die Temperatur über einen Sicherheitswert hinaus ansteigt. Sollte die Batterie jedoch einen Ladezustand erreichen, über den hinaus eine weitere Aufladung die Zelle in einer kalten Umgebung beschädigen würde, bei der die Temperaturabtasteinrichtung nicht wirksam sein würde, wird die Spannung der Batterie durch die Spannung über den

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Widerständen 140 und 142 abgetastet. Wie bereits ausgeführt wurde, weisen die meisten Zellen, wie beispielsweise Nickel-Kadmium-Zellen, eine Spannung auf, die ein Maß für den vollen Ladezustand ist, die umgekehrt proportion?1 zur Temperatur der Zelle ist. Das bedeutet, je niedriger die Temperatur der Zelle ist, desto höher ist die Spannung, die eine vollständige Ladung anzeigt. Deshalb tonn der Spannüngspunkt, der für das Abschneiden der Spannung bei niedrigeren Umgebungstemperaturen ausgewählt wird, höher eingestellt werden als die entsprechende Spannung bei höheren Temperaturen. Somit.steigt bei einer vollen Ladung bei niedrigen Temperaturen, d.h. die Batterie hat ihre vollständige Aufladung erreicht oder, was noch üblicher ist, die Batterie hat einen nahe bei der völligen Aufladung liegenden Zustand erreicht, über den hinaus eine starke Aufladung nicht fortgesetzt werden könnte, die Spannung"über dem Spannungsteiler mit den Widerständen 140 und 142 genügend an, um für eine Spannung an einem variablen Kontaktstück 142a zu sorgen, die in bezug auf den negativen Pol der Batterie ausreichend hoch ist, um den steuerbaren Siliziumgleicbrichter 130 zu zünden. Dadurch wiederum wird der Strom von der Steuerelektrode 122a des steuerbaren Siliziumgleichrichters 122 abgeleitet, wodurch die Hochstrom-Ladeschaltung abgeschaltet wird.

Somit wird sowohl unter Bedingungen hoher Temperaturen als auch hoher Spannungen ein Signal alternativ zum steuerbaren Siliziumgleichrichter 130 zurückgeleitet, um den starken Ladestrom zu unt e rbrechen.

In der in Fig, 3 dargestellten Schaltungsanordnung ist eine zusätzliche Diode 160 in. Reihe mit einem Widerstand 162 und einem zweiten Widerstand 164 vorgesehen, die dem Ausgang des Transformators 120 parallel geschaltet sind. Die Kathode des steuerbaren Siliziumgleichrichters 130 ist mit dem Knotenpunkt 166 zwischen den Widerständen 162 und 164 verbunden. Diese zusätzliche Schal-

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tung gestattet eine Beendigung der Aufladung, d.h. eine Zündung des steuerbaren Siliziumgleichrichters 130, nur während solcher Zeiträume, in denen der Ladestrom Null ist. Das bedeutet, daß die Spannungen der Batteriesensoren den steuerbaren Siliziumgleichrichter nur zwischen Stromimpulsen von dem Batterie-Ladegerät zünden können. Auf diese Weise beeinflussen Schwankungen in der Ladespannung aufgrund von sich verändernden Zuständen in dem Ladegerät und der zugehörigen Schaltungsanordnung nicht die Eichung der Sensoren.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Abtastsystems gezeigt. An diesem Ausführungsbeispiel ist zu bemerken, daß die Diode 144 in der Spannungsabtastschaltung weggelassen ist. Diese Maßnahme sorgt für eine geringere Impedanz für den steuerbaren Siliziumgleichrichter, wo das Problem gelöst oder zumindest abgeschwächt wird, den steuerbaren Siliziumgleichrichter im gezündeten Zustand zu halten, was anderenfalls, bei einer sehr hohen Impedanz, erfordern würde, daß ein größerer Stromfluß durch den steuerbaren Siliziumgleichrichter 130 hindurch aufrechterhalten wird. Es sei auch bemerkt, daß die Diode durch Dioden 124a und 124b ersetzt worden ist, die mit den entgegengesetzten Schenkeln der Sekundärwicklungen des Transformators 120 verbunden sind, um für eine Vollweg-Gleichrichtung zu sorgen. Weiterhin sei bemerkt, daß die Verwendung von entweder der Halbweg- oder Vollweg-Gleichrichtung möglich ist, und daß in den beschriebenen Schaltungsanordnungen die eine Gleichrichtungsart durch die andere ersetzt werden kann.

In der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4 verbindet ein Widerstand 170 die Mittelanzapfung des Transformators 120 mit dem negativen Pol der Batterie 10 und der Kathode des steuerbaren Siliziumgleichrichters 130, um die gleiche Funktion zu erfüllen, wie es vorstehend anhand der Widerstände 162 und 164 und der Diode 160 in Fig. 3 beschrieben worden ist, d.h. um eine Zündung

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des steuerbaren Siliziumgleichrichters 130 nur zwischen den Impulsen des Ladestromes zu gestatten.'

Es sei ferner darauf hingewiesen, daß in der Schaltung gemäß Fig. 4 der in. Fig. 3 gezeigte Thermistor 150 durch einen Thermistor 150' ersetzt worden ist. Der Thermistor 150' ist ein Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, da in der in Fig. 4 gezeigten Schaltungsanordnung der Thermistor 150' mit dem positiven Pol der-Batterie in Verbindung steht. Somit führt ein Temperaturanstieg zu einer Verkleinerung des Widerstandes des Thermistors 150', um dadurch eine Erhöhung des Spannungsabfalles über dem Widerstand 152' zu bewirken, wodurch die Spannung erhöht wird, die über die Diode 146 an die Steuerelektrode 130a des steuerbaren Siliziumgleichrichters 130 angelegt wird, um diesen steuerbaren Siliziumgleichrichter ggf. zu zünden, wenn die Spannung eine ausreichende Höhe erreicht hat.

Ein weiteres Problem, das bei der Auswahl der Komponenten zum Aufbau der gewünschten erfindurigsgemäßen Schaltung auftreten kann, beinhaltet die mögliche Selbsterhitzung des Thermistors, wie beispielsweise des Thermistors 150 oder 150', um zu bewirken, daß große Strö'me hindurchfließen. Dieses Problem kann unabhängig davon auftreten, ob der Thermistor einen negativen oder einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweist.

In Fig. 5 ist eine abgewandelte Schaltungsanordnung gezeigt, in der die Diode 156 durch einen Transistor 180 ersetzt ist, dessen Basis mit einem Punkt zwischen dem Thermistor 150' und dem variablen Widerstand 152* verbunden ist. Auf diese Weise kann ein Thermistor mit hohem Widerstand verwendet werden, der,obwohl der Widerstand verändert wird, zu allen Zeiten einen sehr kleinen Strom leitet, so daß das Problem der Selbsterhitzung vermindert wird. Der hindurchfließende variable Strom steuert den Strom, der von

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dem positiven Pol der Batterie 10 über den Widerstand 182 und den Transistor 180 zur Steuerelektrode des steuerbaren Siliziumgleichrichters 130 fließt.

In der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 5 ist ferner ein zweiter Thermistor 190 vorgesehen, um für eine gewisse Kompensation einer möglichen Temperaturempfindlichkeit des steuerbaren Siliziumgleichrichters 13O zu sorgen. Der Thermistor 190 ist einem zweiten Widerstand 192 parallel geschaltet, und beide Widerstände sind ihrerseits mit dem variablen Widerstand 142 und dem Widerstand 14O in der Spannungsabtastanordnung in Reihe geschaltet.

Es sei darauf hingewiesen, daß sowohl in Fig. 4 als auch Fig. 5 die Diode 156 der Schaltung gemäß Fig. 3 weggelassen ist und stattdessen die Spannung von der Temperaturabtastschaltung der Spannungsabtastschaltung direkt überlagert ist, die die Steuerelektrode 130p des steuerbaren Siliziumgleichrichters 13O speist. Wie vorstehend bereits ausgeführt wurde, ist diese Weglassung der Diode wünschenswert, wenn ein steuerbarer Siliziumgleichrichter als ein Spannungsdetektor verwendet wird, um die Größe der Impedanz in der Ansteuerschaltung zu verkleinern, TJm Jedoch die Zündung des steuerbaren.Siliziumgleichrichters 130 über solche Schaltungen herbeizuführen, muß die Temperaturabtastschaltung von ihrem Ausgang aus gesehen eine relativ kleine Impedanz aufweisen. Infolgedessen entsteht ein mögliches Problem der Selbsterhitzung des Thermistors, das seinerse'its die Verwendung einer weiteren aktiven Vorrichtung notwendig macht, wie beispielsweise des Transistors 180 in Fig. 5, wodurch der Strom, der von der Temperaturabtastschaltung zur Spannungsabtastschaltung geleitet wird, erhöht werden kann, während eine Impedanz mit einem vernünftig hohen Wert in der Thermistorschaltung aufrechterhalten wird.

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_ 1.5 _

In Fig. 6 ist eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Abtpstsysteras gezeigt, in oer die Temperaturebtgsteinrichtung einen Thermostaten 250 aufweist, der mit der Batterie 210 in Reihe geschaltet ist. Ein Ladestrom, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Hnlbweg-Gleichrichteranordnung hindurchfließt, wird der Batterie 210 über einen steuerbaren Siliziumgleichrichter 222 mit großer Geschwindigkeit zugeführt. Wie bereits in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Batteriespannung durch einen Spannungsteiler abgetastet, der einen Widerstand 240 und einen variablen Widerstand 242 umfaßt, die so eingestellt sein können, daß der gewünschte Wert für das Abschneiden der Spannung eingestellt ist. Die Steuerelektrode 23Oa des steuerbaren Siliziumgleichrichters 230 ist mit dem Schleifer-Kontaktstück 242a des Widerstandes 242 verbunden, um den steuerbaren Siliziumgleichrichter 230 zu zünden, wenn die Spannung am Kontaktstück 242a einen vorbestimmten Wert erreicht. Dadurch wird die Steuerelektrode 222a des steuerbaren Siliziumgleichrichters 222 mit dem negativen Pol der Batterie 210 verbunden, um den steuerbaren Siliziumgleichrichter 222 zu sperren.

In diesem Ausführungsbeispiel wird die schnelle Aufladung in Abhängigkeit von der Temperatur durch das Öffnen der Kontaktstücke des Thermostaten 250 unterbrochen. Wenn dies auftritt, steigt die Ladespannung während der ladenden Halbwelle aufgrund der Unterbrechung der Batterielast an. Dies bewirkt seinerseits einen Spannungsanstieg über dem Spannungsteiler, der die Widerstände und 242 umfaßt. Der steuerbare Siliziumgleichrichter 222 wird dann aufgrund der Zündung des steuerbaren Siliziumgleichrichters abgeschaltet, wie es vorstehend bereits beschrieben wurde.

Eine Diode 260, die mit der Batterie 210 in Reihe angeordnet ist, ist den Klemmen des Thermostaten 250 parallel geschaltet. Die Polarität der Diode 260 verhindert einen Fluß des Ladestromes, aber sie gestattet einen Fluß des Haltestromes von der Batterie

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während der Zeiträume, in denen die Quellenspannung Null ist, um ruf diese Weise den steuerbaren Siliziumgleichrichter 222 in einem nicht-leitenden Zustand zu halten.

Der Thermostat 250 stellt sich vorzugsweise automatisch zurück, um auf diese Weise den Fluß eines kleinen Ladestromes zur Batterie 210 über die Diode 224 und den Widerstand 218 zu gestatten, nachdem sich die Batterie genügend abgekühlt hat.

Das erfindungsgemäße Batterie-Ladesystem schafft somit neue Mittel zur Steuerung der Ladegeschwindigkeit bei einer wiederaufladbaren Batterie, indem sowohl das Abschneiden der Spannung als auch der Temperatur der Batterie überwacht wird und Logikm.ittel vorgesehen sind zum Übertragen von Signalen von einem der Sensoren zu den Stromabschaltmitteln.

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Claims

Patentansprüche

1., Batterie-Ladesystem mit einer wiederaufladbaren Batterie, die wenigstens eine wiederaufladbare Zelle aufweist, und einer Ladestromquelle, gekennzeichnet durch eine Ladeeinrichtung (12) für die Batterie mit einer grossen Ladestromstärke, -einen Schalter (20) zur Unterbrechung der hohen Ladegeschwindigkeit in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Signal, einen Spannungssensor (80) zur Abtastung der Spannung der wenigstens einen Zelle der Batterie (10), einen Temperatursensor (60) zur Abtastung der Temperatur der wenigstens einen Zelle in der Batterie (10) und eine Steuereinrichtung (40) zur Aktivierung des Schalters (20) in Abhängigkeit von einem der Sensoren (60, 80), die einen Spannungsdiskriminator umfasst zur Aktivierung des Schalters in Abhängigkeit von einem vorbestimmten Wert von einem der Sensoren.

2. Ladesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , dass der Spannungsdiskriminator Pestkörpermittel enthält.

3. Ladesystem nach Anspruch 2, d~ a d u r c h gekennzeichnet y dass die Pestkörpermittel einen Spannungsschwellwert detektor, der mit dem Schalter elektrisch gekoppelt ist, und Mittel umfassen, die auf entsprechende Weise den Spannungssensor und den Temperatursensor mit dem Eingang des Spannungsdetektors koppeln.

4. Ladesystem nach Anspruch 1, dadurch ge.kennzeich η et , dass der Spannungssensor (80) einen Spannungsteiler (82, 84) aufweist, der -der Batterie (10) parallel geschaltet ist, der Spannungsdiskriminator einen Thyristor.(Ql)

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aufweist, der elektrisch mit dem Schalter (20) verbunden ist, und ein Zwischenpunkt auf dem Spannungsteiler mit der.Steuerelektrode des Thyristors (Qt) gekoppelt ist, so daß der Thyristor in seinen leitenden Zustpnd versetzbar ist, wenn die Spannung an dem Zwischenpunkt des Spannungsteilers einen vorbestimmten Wert erreicht, wodurch der Thyristor (Ql) zur Ausschaltung des Schalters (20) leitend wird.

5. Ladesystem nach Anspruch 4, dadurch g e k e η η ze lehnet , daß der Schalter (20) durch einen zusätzlichen Thyristor (22) gebildet ist, dessen Steuerelektrode mit dem anderen Thyristor (Ql) gekoppelt ist.

6. Ladesystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die verhindern, daß der Thyristor anfangs in seinen leitfähigen Zustand vorgespannt wird während der Spitze der Ladespannungsimpulse, so daß ein vorzeitiges Abschneiden der hohen Ladegeschwindigkeit verhinderbar ist, bevor die Batterie eine vorbestimmte Spannung erreicht hat.

7. Ladesystem nach Anspruch 3, dadurch gekennze ichnet , daß der Temperatursensor einen mit dem Spannungsteiler zusammenarbeitenden thermischen Sensor aufweist zur Lieferung einer Signalspannung zum Eingang des Spannungsdetektors bei einem Temperaturanstieg der Batterie.

8. Ladesystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß der thermische Sensor ein Thermistor ist, der mit einem zweiten Widerstand in Reihe geschaltet

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ist, derart, daß eine Temperatur-variable Zwischenspannung lieferbar ist, die an die Steuerelektrode des Thyristors anlegbar ist.

Ladesystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Spannungssensor einen der Batterie parallel geschalteten Spannungsteiler aufweist, durch den an die Steuerelektrode des Thyristors eine Spannung anlegbar ist, die die Batteriespnnnung im Verhältnis ändert, und der thermische Sensor einen mit der Batterie in Reihe geschalteten Thermostaten (250) ρufweist und die Ladestromquelle einen Gleichrichter aufweist, derart, daß ein Öffnen der Kontakte des Thermostaten einen Anstieg der Spannung der Ladestromquelle zur Folge hat, so daß die Spannung über dem Spannungsteiler ansteigt und somit der Thyristor leitend wird, um den Schalter zu öffnen, wodurch der starke Ladestrom unterbrochen wird, und daß ferner eine Diode (260) vorgesehen ist, die dem Thermostaten (250) parallel geschaltet ist, so daß Batteriestrom in der einen Richtung durch den Spannungsteiler fließen kann, um den Schalter anschließend in einer offenen Stellung zu halten, nachdem die Batterie abkühlt und die Kontakte des Thermostaten schließen.

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