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Anlage zur Patentanmeldung Batterielademerät Die Erfindung betrifft
ein am Wechselstromnetz betreibbares Batterieladegerät, mit einer Schalteinrichtung
für den Anschluß der Versorgungsspannung, einem Transformator und einer Gleichrichteranordnung
im Ladekreis, sowie mit zwei Zeiterfassungsgliedern zur Betätigung der Schalteinrichtung
im Steuerkreis, von denen ein erstes als Sicherheitsabschaltung die Gesamtladezeit
überwacht, während ein zweites, beim Erreichen einer vorgegebenen Batteriespannung
-der Gas ungs spannung der Batterie - einschaltbares Zeiterfassungsglied die Nachladezeit
bestimmt.
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Es'ist ein Batterieladegerät dieser Art in Fachkreisen bekannt, bei
dem beide Zeiterfassungsglieder mechanisch aufgebaut sind. Die notwendige Mechanik
ist zwangsläufig sehr aufwendig, und zwar sowohl hinsichtlich der Herstellungskosten
als auch hinsichtlich Raumbedarf und Geezicht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Batterieladegerät der
eingangs genannten Art zu schaffen, welches zumindest teilweise mit elektronischen
Bauelementen arbeitet; hierdurch soll der Fertigungsaufwand verringert und die Betriebssicherheit
erhöht werten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das zweite
Zeiterfassungsglied zur Bestimmung der Nachladezeit im wesentlichen aus der Kombination
eines elektrischen Impulsgebers und eines durch einen spannungs abhängigen Schwellwert
schalter einschaltbaren elektrischen Zählgliedes besteht, das nach Ablauf einer
einstellbaren Nachladezeit die Schalteinrichtung des Ladekreises betätigt.
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Für die Auslegung der Schaltung ist es zweckmäßig, wenn der Ausgang
des Zählgliedes über einen Schalt verstärker mit der Schalteinrichtung des Ladekreises
verbunden ist. Das Zählglicd enthält vorteilhafterweise einen Zähler mit an dem
Impulsgeber angeschlossenem Dezimaleingang und mit Binärausgang, sowie einen an
den Binärausgang des Zählers angeschlossenen Dekodierschalter, dessen Ausgang mit
der Schalteinrichtung, vorzugsweise über den Schaltverstärker, verbunden ist.
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Eine besonders einfache Lösung ergibt sich, wenn der Impulsgeber einen
an das @echselstromnetz anschließbaren Synchronmotor enthält, dem vorteilhafteflreise
zur Impulsabgabe eine Getriebe nachgeschaltet ist. Dabei kann das Zeiterfassungsglied
zur Sicherheitsabschaltung mechanisch ausgebildet werden beispielsweise derart,
daß die Schalteinrichtung nach einem vollen Getriebeumlauf betätigt wird,
während
am Impulsausgang für das zweite Zeiterfassungsglied eine größere Impulsfolge anliegt,
beispielsweise zwei Impulse pro Stunde.
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Weiterhin ist es zweckmäßig, dem Impulsgeber eine Impulsformstufe
zuzuordnen, um Impulse von exakt vorgegebener Höhe und Länge zu erhalten. Hierdurch
wird die Schaltgenauigkeit und die Betriebssicherheit des Gerätes weiter vergrößert,
ohne daß der technische Aufwand nennenswert gesteigert werden müßte. Eine elektronische
Impulsformstufe kann mit einigen wenigen einfachen Bauelementen aufgebaut werden.
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Eine- erhöhte Betriebssicherheit des e1findungsgemäßen Gerätes' erreicht
man auch dadurch,- daß der Steuerkreis von der Batteriespannung gespeist wird und
dali eine Spannungsstabilisierungsstufe zwischen die Batter@e und den Steuerkreis
eingeschaltet ist. Durch den Anschluß des Steuerkreises an die Batteriespannung
erreicht man, daß bei Netzstörungen oder Netzausfall der Inhalt des Zählgiiedes
nicht verändert oder gelöscht wird.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der E: findung besteht darin, daß
das erste, als Sicherheitsabschaltung wirkende Zeiterfassungsglied als mechanische
Sicherheitsabschaltung ausgebildet ist, durch Anlegen der Batteriespannung beim
Einschalten des Ladegerätes eingeschaltet wird und alle Impulse des Impulsgebers
vom Einschalten des Gerätes an zählt, während das zweite, durch einen Schwellwertschalter
beim Erreichen der Gasungsspannung der Batterie einschaltbare Zeiterfassungsglied
durch Anlegen einer negativen, vom Schwellwertschalter gelieferten Versorgungsspannung
ein schaltbar ist und nur die Impulse des Impulsgebers zählt, die ihm nach Erreichen
der Gasungsspannung der Batterie -zuge führt werden.
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Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind anhand
der.Abbildungen in der folgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig.
1 ein Blockschaltbild der Erfindung und Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltbild eines
Ausführungsbeispieles.
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In Fig. 1 ist mit 10 ein Wechselstromnetz bezeichnet, das über eine
Schalteinrichtung 11 mit einem Gleichrichter 12 verbunden ist, welcher den Gleichstrom
zur Ladung einer Batterie 13 liefert. An das Netz 10 ist ein Impulsgeber 14 mit
nachgeschalteter Impulsformstufe 15 angeschlossen, deren Ausgang an einer Zähleinrichtung
16 irt Form eines BCD-Zähiers liegt. Der Zähleinrichtung ist ein Del-odierschalter
17 nachgeordnet, dessen Ausgang über einen Schaltverstärker 18 an die Schalteinrichtung
11 angeschlossen ist.
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Die Spannungsversorgung der Steuerung des Batterieladegerätes ist
mit 19 bezeichnet; diese beinhaltet eine Einrichtung zur Stabilisierung der Versorgungsspannun;.
Die Versorgungsepannung wird dem Schalt verstärker 18 zugeführ;.
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An die Batterie 13 ist weiterhin ein ,,chwellwertschalter 20 angeschlossen,
der die Zahleinricntun!, 16 einschaltet.
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An den Impulsgeber 14 ist eine Sicheriieitsabschaltung 21 angeschlossen,
welche ebenfalls auf die Schalteinrichtung 11 einwirkt. Bei elektronischer Ausbildung
der Sicherheitsabschaltung 21 wird der Schaltverstärker 18 oder ein getrennter Schaltverstärker
zwischen die Sicherheitsabschaltung 21 und die Schalteinrichtung 11 eingefügt. Bei
elektromechanischer Ausbildung des Impulsgebers 14 und der Sicherheitsabschaltung
21 kann letztere direkt auf die Schalteinrichtung 11 einwirken.
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Die Anordnung laßt sich also grob untergliedern in einen Ladekreis
aus dem Netz 10, der Schalteinrichtung 11, dem Gleichrichter 12 und der Batterie
13, sowie in einen Steuerkreis mit den Bauteilen 14 bis 21, deren Spannungsversorgung
über die Batterie 13 erfolgt.
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Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild eines Ausführungsbeispiels
des Batterieladegerätes. Hierin sind die Bauteile 10 bis 21 mit gestrichelten Linien
umrandet und mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie in Fig. 1. Im übrigen enthält
das Schaltbild folgende einzelne Bauelemente: An das Wechselstromnetz 10 schließt
sich die zweipolige Schalteinrichtung 11 mit einem Arbeitskontakt dl eines Relais
D im Kreis des Schaltverstärkers 18 und mit einem Arbeitskontalct 22 an, welcher
einen Teil der Sicherheitsabschaltung 21 darstellt.
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Der Schalteinrichtung 11 ist die Primärseite eines Transformators
23 nachgeschaltet, dessen Sekundärszite mit den beiden Eingängen 24, 25 des Gleichrichters
12 verburien ist. An die Ausgänge 26 und 27 des Gleichrichters 12 ist die Batterie
13 angeschlossen.
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Der Impulsseber 14 enthält einen Sylchronmotor 28, welcher zwischen
der Schalteinrichtung 11 und dem Transformator 23 an das Wechselstromnetz 10 angeschiDssen
ist. Dem Motor 28 ist ein Getriebe 29 nachgeschaltet das einerseits den Arbeitskontakt
22 der Sicherheitsabschaltung 21 un1 andererseits einen Arbeitskontakt 30 des Impulsgebers
14 betätigt.
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Die Spannungsversorgung 19 für den ,,teuerkreis ist an die beiden
Klemmen der Batterie 13, bzw. an die Ausgänge 26 und 27 des Gleichrichters 12 angeschlossen.
An der Verbindungsleitung vom positiven Ausgang des Gleichrichters 12 zum Pluspol
der Batterie 13 liegt die Anode einer Diode 31, deren Kathode einerseits direkt
mit dem Kollektor eines Transistors 32 und andererseits über einen Widerstand 33
mit der Basis des Transistors 32 verbunden ist. Die Basis des Transistors 32 liegt
weiterhin an der Kathode einer Zenerdiode 34, deren Anode an den negativen Ausgang
26 des Gleichrichters 12, bzw. an den Minuspol der Batterie 13 angeschlossen ist.
Zur Stabilisierung der Spannungsversorgung 19 gehört weiter noch ein Kondensator
35, dessen einer Belag an der Anode der Zenerdiode 34 und dessen anderer Belag am
Emitter des Transistors 32 liegt.
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Eine vom Minuspol der Batterie 13 ausgehende Leitung wird im folgenden
als Minusleitung 36 bezeichnet, die positive Spannung liegt einerseits an einer
vor der Stabilisierung angeschlossenen Leitung 37 und andererseits an einer hinter
der Stabilisierung angeschlossenen Leitung 38.
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Der Arbeitskontakt 30 des Impulsgebers 14 ist mit seinem beweglichen
Kontaktstück über ein Siebglied 39 zum Unterdrücken der Einflüsse von Kontaktprellungen
an die Minusleitung 36 und art die Basis eines Transistors 40 der Impulsformstufe
15 angeschlossen und mit seinem festen Kontaktstück an die stabilisierte Spannung
der Leitung 38. Das- Sie glied 39 enthält einen Widerstand 41, dessen eines Ende
an den Arbeitskontakt 30 und dessen anderes Ende an einen Widerstand 42-und an den
einen Belag des Xondensators 43 angeschlossen ist, dessen anderer Belag an der Minus
leitung 36 liegt.
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Die ImpulsforlI.stufe 15 ist über einen Vorwiderstand 44 an die positive
Leitung 38 angeschlossen. An dem von der Leitung 38 abgekehrten Ende des Vorwiderstandes
44 liegt die Parallelschaltung von zwei Kollektorwiderständen 45 und 46, deren kollektorseitige
Enden an den kollektor des Transistors 40 und an den Kollektor eines weiteres Transistors
47 angeschlossen sind, welche zusaffilnen einen Schmitt-Trigger zur Impuls formung
bilden. Der Kollektor des Transistors 40 liegt also weiterhin an der Basis des Transistors
47, die Emitter beider Transistoren sind gemeinsam über einen Widerstand 48 mit
der Minus leitung 36 verbunden.
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Am Ausgang 49 des Schmitt-Triggers der Impulsformstufe 15 liegt ein
Eingang 50 eines BCD-Zählers 16, von dem ein zweiter Eingang 51 ebenfalls über den
Vorwiderstand 44 an die stabilisierte positive Spannung der Leitung 38 angeschlossen
ist. Ein dritter Eingang 52 des BCD-Zählers 16 ist mit der Minus leitung 36 verbunden,
ein weiterer Eingang ist mit 73 bezeichnet
Der BCD-Zähler 16 besitzt
vier Ausgänge 53, 54, 55, 56, die jeweils mit den Kathoden von Dioden 57, 58, 59,
60 verbunden sind. Die Anoden der;Dioden 57 bis 60 sind mit den Eingängen 61,'62,
63, 64 des Decodierschalters 17 verbunden, an dessen -Ausgang 65 der Schaltverstärker.18
angeschlossen ist.
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Der Schaltverstärker 18 enthält einen Spannungsteiler mit Widerständen
66, 67 und 68. Zwischen den Widerständen 66 und 67 ist der Ausgang 65 des Decodierschalters
17 und zwischen den Widerstärden 67 und 68 die Basis eines Transistors 39 angeschlossen,
dessen Emitter an der MInus leitung 36 und dessen Kollektor einerseits an der Basis
eines weiteren Transistors 70 und andererseits am einen Ende eines Widerstandes
71 liegt, dessen anderes Ende an die positive Leitung 38 angeschlossen ist. Zlfischell
dem Kollektor des Transistors 70 und der Leitung 37 liegt ein Relais D. Parallel
zum Relais D ist eine Freilaufdiode 72 angeordnet, welche Spannungsspitzen beim
Ausschalten des Stromes durch das Relais D unterdrückt.
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An den Eingang 73 des BCD-Zählers 16 ist der Ausgang 74 des Schwelllsertsehalters
20 angeschlossen. Der Ausgang 74 liegt einerseits über einen Arbeitswiderstand 75
an der Leitung 38 mit der stabilisierten positiven Spannung und andererseits über
die Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors 76 an der Minusleitung 36. Die Basis
des Transistors 76 ist über einen Widerstand 77 mit dem Kollektor eines Transistors
78 und weiterhin über einen Widerstand 79 mit der Leitung 38 verbunden.
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An der Leitung 38 liegt über einen Widerstand 80 ferner die Basis
des Transistors 78 und der mit ihr verbundene Kollektor eines Transistors 81, dessen
Emitter zusammen mit dem Emitter des Transistors 78 über einen gemeinsamen Emftter-Uiderstand
82 mit der Miunusleitung 36 verbunden ist. Die Basis des Transistors 81 ist an den
Ausgang eines Sieb gliedes 83 angeschlossen. Dieses besteht aus einem mit der Basis
des Transistors 81 verbundenen Widerstand 84 einem hiermit in Reihe liegenden Widerstand
85 und einem zwischen den Widerständen 84 und 85 und der MinusleitunO 36 eingeschalteten
Kondensators 86-. Das vom Widerstand 84 abgekehrte Ende des Widerstandes 85 ist
an den Abgriff 87 eines Potentiometers 88 anSescnlossen, welches
zwischen
der positiven Leitung 37 und der Minus leitung 36 liegt.
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Allgemein ist zur Wirkungsweise des Batterieladegerätes folgendes
zu bemerken: Soll eine Batterie 13 innerhalb sehr kurzer Zeit vollgeladen werden,
wie dies z.B. bei Gabelstapler-Batterien gefordert wird, so ist es notwendig, mit
einem der Batterie angepaßten Strom oberhalb der Gasungsspannung zu laden. Die Ladung
der Batterie oberhalb der Gasungsspannung muß, um Schäden der Batterie zu vermeiden,
entweder manuell oder automatisch überwacht werden. Diese automatische Überwachung
kann ein Lades chalter übernehmen.
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Das Prinzip des Ladeschalters besteht darin, daß bei Erreichen eines
bestimmten Spannungswertes von z.B. 2,4 Volt/Zelle in Sonderfällen auch eines Stromwertes
- eine dem Batterietyp, dem Alter de- Batterie, dem Anwendungsfall und dem Ladestrom
angepaßte, veränderbare Nachladezeit abläuft. Nach Ablauf der eingestellteii Nachladezeit
wird die Ladung unterbrochen.
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Zusätzlich besitzt der Ladeschalter noch eine Sicherheitsabschaltung
21> die die JJadung nach ca. zwölf bis vierzehn Stunden auch dazn abschaltet,
wenn die vorgegebene Zellenspannung aus irgend einem Grund nicht erreicht werden
sollte, beispielsweise pfeil eine Zelle defekt ist. Diese Sicherheitsabschaltung
21 verhindert eine Beschädigung der gesunden Zellen.
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Die Basis des Impulsgebers 14 wird dem Netz 10 entnommen und ilber
eine Impulsformstufe 15 einem Zähler 16 zugeleitet. Ein Schwellwertschalter 20 schaltet
bei Erreichen der Gasungsspannung von 2,4 Volt/Zelle den Zähler 16 auf die Stellung
"zählen".
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Der Zählerinhalt wird vom Decordierschalter 17, an dem die Nachladezeit
einstellbar ist, begrenzt. Nach Ablauf der eingestellten Nachladezeit, d.h. wenn
das Code-Bild des Zählerausganges identisch ist mit der 3Sinstellun des Decodierschalters,
wird ein Signal an den Schaltverstärker 18 gegeben, der das
Batterieladegerät
ab bzw. umschaltet aug eine Ausgleichsladung oder eine Ladungserhaltung.
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Mit dem Einschalten des Batterieladegerätes Läuft gleichzeitig die
Sicherheitsabschaltung 21 an. Sie gibt nach beispielsweise zwölf oder vierzehn Stunden
ein Signal an den Schaltverstärker 18 oder wirkt direkt auf die Schalteinrichtung
11 ein und schaltet somit das Batterieladegerät auch dann ab, wenn die Gasungsspannung
nicht erreicht worien ist. Das Batterieladegerät kann noch durch eine nichtdargestellte
Zusatzeinrichtung ergänzt werden, welche anzeigt, ob die Sicherheitsabschaltung
wirksam geworden ist oder nicht; dies ist ein Hinweis für das Personal, die Batterie
13 zu überprüfen.
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Durch Kontrolleuchten kann ferner während der Ladung angezeigt werden,
ob die Batteriespannung unterhalb oder oberhalt 2,4 Volt/Zelle liegt.
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Im einzelnen arbeitet das Batterieladegerät folgendermaßen: Nach dem
Einschalten der Netzspannung und dem Anschluß der Batterie 13 liegt der Motor 28
über die geschlossenen Schaltkontakte d1 und 22 an der Netzspannung und treibt das
Getriebe 29 an. Dieses ist so ausgelegt, daß es einerseits nach einem Getriebeunlauf
von beispielsweise zwölf Stunden den Arbeitskontakt 22 öffnet, welcher also zusammen
mit dem Motor 28 und dem Getriebe 29 eine mechanische, direkt auf die Schalteinrichtung
11 einwirkende Sicherheitsabschaltung 21 bildet.
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Stattdessen ist auch eine elektrische oder elektronische Ausbildung
der Sicherheitsabschaltung möglich, welche über den Schaltverstärker 18 auf die
Schalteinrichtung 11 einwirkt.
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Der Arbeitskontakt d1 ist nach dem Anschluß der Batterie 13 geschlossen,
da das Relais D an Spannung liegt. Hierauf wird später noch im einzelnen eingegangen.
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Das Getriebe 29 wirkt weiterhin auf den Arbeitskontakt 30 ein und
betätigt diesen in einem festen Rythmus, so daß beispielsweise nach jeweils 30 Minuten
ein Impuls abg-egeben wird, Dieser von der stabilisierten Spannung von beispielsweise
10 Volt auf der Leitung 38 entno-rene Impuls wird über das Siebglied 39 auf die
Impulsformstufe 15 gegeben. Durch das Siebglied 39 wird der Impuls von Nebeneinflüssen,
welche durch ein Prellen des kontaktes 30 auftreten können befreit; der Schmitt-Trigger
mit den Transistoren 40 und 47 formt einen etwa recheckigen Impuls, der au den Eingang
50 des BCD-Zählers gegeben wird. Am Eingang 31 des Zählers 16 liegt eine Spannung
von etwa 5 Volt, also e3wa der halbe-n Größe der Spannung auf der Leitung 38 an.
Die der Leitung 3-8 vorgeschaltete Spannungsversorgung 19 enthält eine Sperrdiode
31, welche die Anordnung bei einem falschen Batterieanschluß schützt.
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Weiterhin besitzt die Spannungsversorgung eine Stabilisierung welche
durch das Zusammenwirken des Transistors 32 mit der Zenerdiode 34 entsteht. An der
Basis les Transistors 32 liegt die konstante Zenerspannung der Zenerdiode 34 an,
am Emitter des Transistrors 32 die konstante Spannung aus der Zenerspannung abzüglich
des Spannungsabfalls an de@ Basis-Emitter-Strecke des Transistors 32. Der Kondensator
3, die-nt zur Glättung der stabilisierten Spannung.
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Der BCD-Zähler 16 wird eingeschaltet über den Schwellwertschalter
20, wenn die Batteriespannung eine vorgegebene Spannung, beispielsweise die Gasungsspannung
von 2,4 Volt pro Zelle erreicht hat Zur Spannungsüberwachung ist der Schwellwertschalter
20 über das Potentiometer 88 und über die D -ade ist an die beiden Pole der Bat-terle
1-3 angeschlossen.
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Am Abgriff 87 des Potentiometers 88 wird eine der Batteriespannung
proportionale Spannung abgegriffen, welche nach Siebung durch das Siebglied 83 dem
Transistor 81 beaufschlagt wird. Da der BCD-Zähler 16 durch ein negatives Signal
an seinem Eingang 73 erst eingeschaltet wird, bleibt er unabhängig von der Impulsfolge
über den Kontakt 30 ausgeschaltet, solange ein positives Signal am Eingang 73 anliegt.
Dies ist der Fall,
solange die Gasungsspannung der Batterie 13
nicht erreicht ist; während dieser Zeit ist der Transistor 81 gesperrt, da das Potentiometer
88 so eingestellt ist, daß vor Erreichen der Qasungsspannung der Batterie die an
der Basis Emitter Strecke des Transistors 81 anliegende Spannung nicht ausreicht
um diesen leitend zu machen. Solange der Transistor 81 gesperrt ist, ist der Transistor
78 leitend und der Transistor 76 wiederum gesperrt, d.h. am Ausgang 74 des Schwellwertschalters
20 liegt ein positives Potential an, ebenso am Eingang 73 des Zählers 16, so daß
dieser die eingehenden Impulse nicht zählt. Bei Erreichen der Gasungstipannung der
Batterie 13 wird der Abgriff 87 des Potentiometers 88 positiver, die Durchbruchsspannung
der Basis Emitter-Strecke des Transistors 81 Teird überschritten und der Transistor
81 wird leitend. Daraufhin wird der Transistor 78 gesperrt uni der'Transistor 76
leitend, so daß am Ausgang des Schwellwertschalters 20 und sonst am Eingang 73 des
Zählers 16 ein negatives Potential anliegt tnd den Zähler 16 einschaltet.
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Ab sofort registriert der BCD-Zähler 16 alle am Arbeitskontakt 30
abgegebenen Impulse und summiert diese auf. Der Verbindungspunkt zwischen den Widerständen
66 t'nd 67 des Schaltverstärkers 18 wird vom Ausgang 65 des Decodierschalters 17
aus solange an einem negativen Potential gehalten, bis die Decodierbedingung des
Decodierschalters 17 erfüllt ist, d.h. bis die Ausgänge 53 bis 56 des ZEhlers 16
mit der gewählten Stellung der Eingänge 61 bis 64 des Decodierschalters 17 übereinstimmen.
Bei der dargestellten Anordnung mit vier Eingängen 61 bis 64 des Decodierschalters
und einer Impulsfolge von 30 -Minuten kann eine Nachladezeit bis zu 7,5 Stunden
mit einer Teilung von jeweils 0,5 Stunden eingestellt werden. Nach Ablauf dieser
Zeit, d.h. Menn die Decodierbedingung erfüllt ist, wird das negative Potential zwischen
den Widerständen 66 und 67 des Schaltverstärkers 18 aufgehoben, der Transistor 69
wird leitend und der Transistor 70 gesperrt. Dadurch fällt das Relais D ab und der
Arbeitskontakt dl wird geöffnet. Hierdurch kann, wie dies im Ausführungsbeispiel
dargestellt ist, der Ladevorgang völlig unterbrochen werden, ebenso ist jedoch auch
eine Umscilaltung auf eine Ausgleichs ladung oder eine Ladungserhaltung möglich.