DE2453979A1 - Spannungswandler, insbesondere fuer elektrofahrzeuge - Google Patents

Spannungswandler, insbesondere fuer elektrofahrzeuge

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DE2453979A1 DE19742453979 DE2453979A DE2453979A1 DE 2453979 A1 DE2453979 A1 DE 2453979A1 DE 19742453979 DE19742453979 DE 19742453979 DE 2453979 A DE2453979 A DE 2453979A DE 2453979 A1 DE2453979 A1 DE 2453979A1
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Description

PATENTANWÄLTE
DIPL.-1«\G. LEO I=LLUCHAUS DR.-ING. HANS LEYH 2453979
SlPL.-!!MC* ΕΡΓ-ί^Τ R^.Tü^JIä^M
München 71,
Melchioretr. 42
Unser Zeichen: A 13
ELTRA CORPORATION 2 Pennsylvania Plaza New York U.S.A.
Spannungswandler, insbesondere für Elektrofahrzeuge
Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler, insbesondere für Elektrof.ahrzeuge.
Mit Gleichstrom betriebene Fahrzeuge, wie Elektrofahrzeuge verwenden Batterien mit einer relativ hohen Spannung, die immer wieder aufgeladen werden. Die Hauptbatterie, die beispielsweise mit Spannungen im Bereich von 72 bis 156 Volt arbeitet, umfaßt häufig eine Hilfsbatterie mit 12 Volt, z.B. für Lampen, Scheibenwischer und dergleichen, die gewöhnlich nicht zusammen mit der Hauptbatterie geladen wird.
Bei einem System zur Ladung einer solchen Hilfsbatterie ist es nun erwünscht, daß es über einen weiten Bereich von Eingangsspannungen arbeitet, z.B. bei Nennspannungen von 72, 84, 96, 112 oder 156 Volt. Wegen der hohen Anforderungen, die an die Batterien gestellt werden, wenn ein solches Elektrofahrzeug
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mit voller Leistung arbeitet, ist die Spannung der Speisebatterie, d.h. der Hauptbatterie, veränderlich und der Spannungswandler sollte in der Lage sein,".über einen solchen veränderlichen Spannungsbereich zu arbeiten. Ferner soll die Schaltung in der Lage sein, die Ladung der Hilfsbatterie zu überwachen, so daß die letztere geladen wird, wenn ihre Spannung unter einen vorgegebenen unteren Wert fällt und die Ladung beendet wird, wenn die Spannung über einen vorgegebenen oberen Wert steigt.
Der erfindungsgemäße Spannungswandler ist in der Lage mit einer variablen Eingangs-Gleichspannung zu arbeiten, die beispielsweise von der Hauptbatterie des Elektröfahrzeuges kommt. An die Primärwicklung eines Abwärts-Leistungstransformators wird eine hochfrequente Wechselspannung gelegt. Ein Transformator mit sättigbarem Kern, dessen Primärwicklung parallel zu der Primärwicklung des Leistungstransformators liegt, steuert die Leitfähigkeit eines Zweiwegtransistor-Brückennetzwerkes, das einen Strom an die Primärwicklung des Leistungstransformators legt. Der hochfrequente, niedrige Spannungsausgang an der Sekundärwicklung des Leistungstransformators wird gleichgerichtet und an die Hilfsbatterie gelegt, um diese aufzuladen. Die Regelung des Ladestromes erfolgt durch eine Schmitt-Trigger-Schaltung, die den Spannungswandler aktiviert oder deaktiviert wenn die Lastspannung (der Hilfsbatterie) unter oder über einem vorgegebenen Niederspannungsbereich fällt bzw. steigt. Die Schmitt-Trigger-Schaltung wird betätigt, um das gesamte System durch Verwendung eines Relais in dem Leistungskreis zu unterbrechen, wenn die Lastspannung (der Hilfsbatterie) die obere Grenze des Niederspannungsbereiches überschreitet. Die Hysterese in der Schmitt-Trigger-Schaltung hält den offenen Schaltkreis bis die Spannung unter den Niederspannungsbereich fällt. Es kann ein veränderlicher Wiederstand verwendet werden, um den Arbeitsbereich des die Spannung messenden Netzwerkes abzugrenzen.
Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert, in der
Fig. 1 eine Schaltung des Erregerteiles eines erfindungsgemäßen Spannungswandlefs für den Leistungstransformator zeigt.
Fig. 2 zeigt die Schaltung des Ausgangs- und Steuerteiles des Spannungswandlers.
Die Schaltung nach Fig. 1 hat zwei Anschlüsse 11 und 12 zum Anschluß an eine Gleichspannungsquelle mit höherer Spannung, z.B. an die Hauptbatterie eines Elektrofahrzeuges, die nominell z.B. zwischen 72 und 156 Volt liegen und z.B. über einen Bereich von + 10 % oder mehr variieren kann. Eine Zweiweg-Transistor-Brückenschaltung (full wave transistor bridge circuit) mit Transistoren Q1 bis Q4 ist an die Klemmen 11 und 12 gelegt, wobei die Primärwicklung eines Leistungstransformators T1 mit dem Ausgang der Transistorbrücke verbunden ist. Die Primärwicklung des Transformators T1 liegt in Reihe mit den Emitter-Kollektor-Kreisen der Transistoren Q1 und Q^, so daß die gleichzeitige Leitung dieser beiden Transistoren dazu führt, daß ein Strom zwischen den Klemmen 11 und 12 in einer Richtung durch die Primärwicklung T1 P des Transformators fließt. Die Primärwicklung T1P des Transformators T1 liegt ferner in Reihe mit den Emitter-Kollektor-Kreisen der Transistoren Q2 und Q4, so daß bei einer Leitung dieser Transistoren ein Strom in entgegengesetzter Richtung durch die Primärwicklung T1P fließt. Die abwechselnde Leitung bzw. Leitfähigkeit durch die Transistorpaare Q1, Q3 und Q2, Q4 liefert eine induzierte niedrige Wechselspannung in der Sekundärwicklung T1S des Transformators T1, die durch den Ausgangskreis nach Fig. 2 gleichgerichtet und dann an eine Niederspannungs-Last, wie z.B. eine 12-Volt-Hilfsbatterie gelegt wird.
Die Transistorbrücke mit den Transistoren Q1 bis Q4 wird durch
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einen sättigbaren Ringkerntransformator T2 gesteuert, dessen Primärwicklung T2P parallel zu der Primärwicklung T1P des Transformators T, geschaltet ist. Die Sekundärwicklung des Steuer-Transformators T2 umfaßt vier identische Wicklungen T3S1 bis T2 S4' von denen jede mit der Steuerelektrode bzw. Basis eines Transistors Q1 bis Q* entsprechend verbunden ist. Die Sekundärwicklung T2S1 ist an den Emitter-Basiskreis des Transistors Q1 über einen parallelen RC-Kreis geschaltet, der einen Widerstand 13 und einen Kondensator 14 aufweist, während die Sekundärwicklung T2S2 über einen RC-Kreis, der einen Widerstand 15 und einen Kondensator 16 aufweist, an die Basis des Transistors Q2 angeschlossen ist. Die Sekundärwicklung T2S3 ist über einen RC-Kreis mit einem Widerstand 17 und einem Kondensator 18 an die Basis des Transistors Q3 gelegt, während die Sekundärwicklung T2S. über einen RC-Kreis mit einem Widerstand 17 und einem Kondensator 18 an die Basis des Transistors Q4 angeschaltet ist. Eine Diode 21 liegt zwischen einem Verbindungspunkt zwischen den Sekundärwicklungen T0 S0 und T0S- und der Klemme 12, die mit den Kollektoren der Transistoren Q2 und Q3 verbunden ist.
Vier Dioden 22 bis 25 sind entsprechend an die Transistoren Q1 bis Q. geschaltet, wie dargestellt, um die Transistoren gegen scharfe Spannungsänderungen oder Spannungsstöße zu schützen. Ein üblicher Stoßspannungs-Unterdrücker (nicht gezeigt) kann ebenfalls wahlweise direkt an die Klemmen 11 und 12 gelegt werden.
Zwei Wiederstände 26 und 27 sind als Spannungsteiler über die Diode 21 an die Klemmen 11 und 12 gelegt, wobei der Verbindungspunkt zwischen diesen Widerständen an einen Mittelabgriff 28 der Primärwicklung des Leistungstransformators T1 angeschlossen ist. Zwischen der Klemme 11 und der Transistorbrücke sind ferner Relaiskontakte 29, die in offener Position dargestellt sind, angeordnet, um die gesamte Transistorbrücke abzuschalten, wenn sie durch ihre Wicklung geöffnet werden, wie noch erläutert wird.
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mm P
Parallel zu den Relaiskontakten 29 kann ein Kondensator geschaltet werden, um die Kontakte gegen Bogenbildung zu schützen.
Die Schaltung arbeitet folgendermaßen:
Wenn die Kontakte 29 geschlossen werden, um das System zu aktivieren, fließt ein Gleichstrom zwischen den Klemmen 11 und über den Widerstand 26, eine Hälfte der Primärwicklung des Transformators T1, dann durch einen Transistor Q2 oder Q3. Diese Schaltung macht die Transistorbrücke instabil bis zu dem Punkt in dem die Leitung bei einem der Transistoren Q2 oder Q3 beginnt. Die Diode 25 ist rückwärts vorgespannt und gibt eine Leitung in der entgegengesetzten Richtung. Wenn einer der Transistoren, beispielsweise Q2* mit der Leitung beginnt, so umfaßt die Strombahn die Primärwicklung T1P des Transformators T1 und die Primärwicklung T3P des Transformators T2. Der Stromfluß in diesem Weg setzt sich fort bis der Kern des Transformators T2 gesättigt ist, wobei in diesem Zeitpunkt die an der Sekundärwicklung T2S2 induzierte Spannung auf Null geht und der an die Steuerelektrode bzw. Basis des Transistors Q2 gelegte Strom aufhört, womit der Transistor Q2 abgeschaltet wird. Das Feld im Kern des Transformators T2 bricht dann zusammen und induziert Spannungen mit entgegengesetzter Polarität an den Sekundärwicklungen T2S1 und T2S3, welche die Transistoren Q1 und Q, einschalten, um einen Strom über ihre Emitterkollektorkreise und über die Primärwicklungen der Transformatoren T1 und T2 anzulegen, jedoch in entgegengesetzter Richtung zu dem ersten Strom, wodurch eine Spannung mit umgekehrter Polarität in der Sekundärwicklung T1S des Transformators T1 induziert und die Spannung an den Sekundärwicklungen T3S1 und T2S3 des Transformators T2 aufrechterhalten wird. Diese Spannungen bleiben bis zur Sättigung des Kernes des Steuertransformators T2, wobei in diesem Zeitpunkt die Transistoren Q1 und Q3 abschalten und die Transistoren Q2 und Q4 durch die Spannungen eingeschaltet werden, die in den Sekundärwicklungen T2S2 und T3S4 durch das im Kern
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des Transformators T2 zusammenbrechende Feld induziert werden. Die abwechselnde Leitung bzw. Leitfähigkeit setzt sich somit fort und erzeugt einen hochfrequenten Strom mit niedriger Spannung in der Sekundärwicklung des Leistungstransformators T1. Die Widerstände 13, 15, 17 und 19 steuern die Sättigungszeit für den Kern des Transformators T2 und bestimmen damit die Ausgangsfrequenz des Spannungswandlers. Die Kondensatoren 14, 16, 18 und 20 beschleunigen die Ansprechzeit des Systems, um die Einschaltzeiten und die Ausschaltzeiten der Transistoren Q1 bis Q4 zu beschleunigen. Abhängig von der an den Klemmen 11 und 12 liegenden Spannung kann die Ausgangsfrequenz des Spannungswandlers bei der hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsform z.B. zwischen 18 und 22 KHz liegen.
In Fig. 2 hat die Sekundärwicklung T1S des Transformators T1 einen Hittelabgriff 30, der an einen Lastanschluß 31 gelegt ist, während die Enden der Wicklung über Dioden 32 und 33 zusammengefaßt und an den anderen Lastanschluß 34 gelegt sind. Der Ausgang des Transformators T1 erfährt eine Zweiweg-Gleichrichtung durch die Dioden 32 und 33.
Der Spannungsreglerteil der Schaltung umfaßt eine Wicklung 29a für den Betrieb der Relaiskontakte 29 (Fig. 1) wobei die Wicklung an die Klemmen 31 und 34 in Reihe mit dem Hauptleitungsweg eines Transistors 35 gelegt ist. Eine Diode 36 ist an die Wicklung 29a geschaltet, um den Transistor 35 zu schützen.
Ein Spannungsteiler mit einem Widerstand 37 und einem Potentiometer
38 liegt an den Klemmen 34 und 31. Das Potentiometer 38 hat einen verstellbaren Abgriff, der mit einer Schmitt-Trigger-Schaltung
39 verbunden ist.,Das Potentiometer 38 liefert die Spannungshöhe zum Triggern der Schaltung 39. Die Schaltung 39 hat einen Speisespannungseingang 40, zwei Eingänge 41 und 42 und einen Ausgang Der Ausgang 43 ist an die Steuerelektrode des Transistors 35 gelegt
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und zwar über einen Spannungsteiler mit Widerständen 44 und Der Abgriff des Potentiometers 38 ist direkt an den Eingang und über eine Diode 46 an den Eingang 41 der Schaltung 39 gelegt. Die Schmitt-Trigger-Schaltung 39 wird über eine geregelte Energiequelle mit Energie versorgt, die einen Widerstand 47 und eine Zener-Diode 48 umfaßt, die an die Klemmen 34 und 31 geschaltet sind.
Der Schaltkreis arbeitet folgendermaßen:
Die Schmitt-Trigger-Schaltung 39 kann eine konventionelle Bauart haben, z.B. in der Art einer Triggerschaltung aus zwei Nand-Toren, Kondensatoren und Widerständen. Der Ausgang 43 ist an die Steuerelektrode, d.h. die Basis des Transistors 35 gelegt, um den letzteren einzuschalten, womit die Relaiswicklung 29a erregt wird, um den Relaiskontakt 29 zu schliessen, wodurch das gesamte System aktiviert wird. Die Eingänge 41 und 42 zu der Schmitt-Trigger-Schaltung 39 überwachen die Spannung zwischen den Klemmen 31 und 34, die auf ein niedriges Niveau reduziert ist durch den Widerstand 37 und das Potentiometer 38. Die Diode 46 die in Vorwärtsrichtung einen Spannungsabfall von etwa 0,5 Volt hat, stellt die Hysteresis-Höhe für die Schmitt-Trigger-Schaltung 39 ein, derart, daß ein schmaler Bereich von Lastspannungsänderungen zugelassen werden kann. Wenn beispielsweise die Last eine Hilfsbatterie für ein Elektrofahrzeug ist, kann das System durch Auswahl verschiedener Widerstände so eingestellt werden, daß die Batterie geladen wird, wenn ihre Spannung unter 13,2 Volt fällt und daß sie im Ladezustand bleibt, bis ihre Spannung 13,7 Volt übersteigt. Die Batteriespannung wird an den Klemmen 31 und 34 abgenommen bzw. gemessen und wenn sie unter 13,2 Volt beträgt, so fällt die entsprechende Spannung, die an den Eingängen 41 und 42 liegt, auf die Höhe, in der die Schmitt-Trigger-Schaltung einschaltet, um den Transistor 35 einzuschalten, wodurch die Relaiskontakte 29 geschlossen werden und der Spannungswander beginnt, die Batterie zu laden. Wenn die Batteriespannung den
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Wert 13,7 Volt erreicht hat, läuft die umgekehrte Arbeitsfolge ab.
Der Aufbau und die Wirkungsweise der Schmitt-Trigger-Schaltung ist bekannt. Sie kann konventionelle Transistoren enthalten oder eine Anzahl von handelsüblichen integrierten Schaltkreisen verwenden .
Der erfindungsgemäße Umformer stellt eine Einrichtung dar, die eine Gleichstromquelle mit geregelter niedriger Spannung umfaßt, um z.Bp eine Batterie zu laden oder andere Hilfsfunktionen -auszuführen. Die Ausgangsenergie kommt von einer Gleichstromquelle mit höherer Spannung, die im Betrieb Veränderungen ausgesetzt ist. Die Schaltungsanordnung eignet sich insbesondere für Elektrofahrzeuge, kann jedoch auch in anderen Anlagen eingesetzt werden. Die Schaltung umfaßt eine Transistorbrücke, um einen hochfrequenten Eingang an die Primärwicklung eines Abwärts-Leistungstransformators anzulegen. Der gleichgerichtete Ausgang der Sekundärwicklung des Leistungstransformators ist an die Niederspannungsbatterie gelegt. Die Kontrolle des Ladestromes wird durch eine Schmitt-Trigger-Schaltung bewirkt, die an der Niederspannungsbatterie liegt, um die Schaltungsanordnung aus- oder einzuschalten, wenn die Spannung am oberen oder unteren Ende eines vorgegebenen Spannungsbereiches liegt.
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Claims (5)

— Q —. Patentansprüche
1. Spannungswandler, insbesondere für Elektrofahrzeuge, um aus einer Speise-Gleichspannung mit einem gegebenen Spannungswert eine regulierte Gleichspannung mit einem hiervon verschiedenen Spannungswert zu erzeugen, gekennzeichnet durch einen Leistungstransformator (T1) mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung, einem Oszillator, um die Primärwicklung (T1P) alternativ mit wechselnder Polarität mit der Speisespannung zu verbinden, um in der Sekundärwicklung (T1S) einen Wechselstrom mit einer hiervon verschiedenen Spannung zu erzeugen, Einrichtungen (32, 33) zum Gleichrichten des induzierten Stromes und zum Anlegen der gleichgerichteten Spannung an ein Paar Last-Klemmen (31, 34), ferner durch einen Regler (39) zum überwachen der Spannung an den Lastklemmen, um den Oszillator abzuschalten, wenn die Spannung einen vorgegebenen Höchstwert übersteigt und um ihn einzuschalten, wenn die Spannung unter einen vorgegebenen Mindeswert fällt, wobei der Regler(39 ) spannungsempfindliche elektronische Schalteinrichtungen enthält mit einem Eingang, der an den Last-Klemmen (31, 34) liegt und einem Ausgang,(43), der mit einer Einrichtung (35) verbunden ist, um den Oszillator abzuschalten, derart, daß bei Veränderung der Lastspannung über oder unter die vorgegebenen Werte die Schalteinrichtung von einem Zustand in den anderen wechselt, um den Oszillator abzuschalten oder einzuschalten.
2. Spannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Ozillator vier Transistoren (Q1/ Q2, Q3 und Q4) aufweist, die in einer Zweiweg-Transistor-Brückenschaltung geschaltet sind, daß ferner durch den
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Transistor (Q1) ein Ende der Primärwicklung (T.P) mit einer Klemme (11) und durch den Transistor (Q2) dieses Ende der Primärwicklung (T1P) mit einer Klemme (12) der Spannungsquelle verbunden ist, daß ferner durch den Transistor (Q3) das andere Ende der Primärwicklung (T1P) mit der Klemme (12) und durch den Transistor (Q4) dieses andere Ende der Primärwicklung mit der Klemme (11) der Spannungsquelle verbunden ist, daß ferner Steuereinrichtungen vorgesehen sind, um die Transistoren (Q1) und (Q3) einerseits und die Transistoren (Q2 und Q4) andererseits abwechselnd leitfähig zu machen, um einen durch die Primärwicklung (T1P) fliessenden Wechselstrom zu erzeugen.
3. Spannungswandler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen sättigbaren Transformator (T2) aufweist, der eine Primärwicklung (T2P) hat, die parallel zu der Primärwicklung (T1P) des Transformators (T1) liegt und der vier Sekundärwicklungen (T2S1, T2S2, T3S3 und T2S4) aufweist, daß ferner Einrichtungen vorgesehen sind, um jede der vier Sekundärwicklungen anzuschliessen, um die Leitfähigkeit jeweils eines der vier Transistoren zu steuern.
4. Spannungwandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Regler eine Schmitt-Trigger-Schaltung (39) umfaßt, daß Einrichtungen (37, 38) vorgesehen sind, um die Schaltung (39) mit den Lastklemmen (31, 34) zu verbinden, um die Spannung an den letzteren abzutasten, daß ferner die Schmitt-Trigger-Schaltung (39) einen Ausgang (43) hat, der von einer Stellung in die andere wechselt, wenn die Spannung an den Lastklemmen (31, 34) den vorgegebenen Maximalwert übersteigt, ferner mit Einrichtungen, um eine Rückehr der Schaltung (39) in diesen Zustand solange zu verhindern bis die Spannung an den Lastklemmen (31, 34)
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unter den vorgegebenen Mindeswert fällt, sowie mit Einrichtungen, um den Oszillator abzuschalten, wenn die Schmitt-Trigger-Schaltung (39) in dieser anderen Stellung ist.
5. Spannungswandler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zum Anschliessen der Schmitt-Trigger-Schaltung (39) an die Lastklemmen eine Einrichtung umfaßt, um die vorgegebene Maximalspannung, bei der die Schmitt-Trigger-Schaltung (39) ihren Zustand ändert, zu verändern.
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