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Ladeeinrichtung für Antriebs- und Bordnetzbatterie eines Elektrofahrzeuges
Die Erfindung betrifft eine Ladeeinrichtung für Antriebs- und Bordnetzbatterie eines
Elektrofahrzeuges.
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Elektrofahrzeuge für den Einsatz im Straßenverkehr besitzen irn allgemeinen
neben einer Batterie mit relativ hoher Spannung zur Speisung des Fahrmotor eine
batterie zur Versorgung der konventionellen elektrischen Einrichtungen, wie Beleuchtung,
Hupe, Scheibenwischer etc. Um die für diese Einrichtungen benötigte elektrische
Energie unter allen Betriebsbedingungen des Fahrzeuges sicherstellen zu können,
werden bisher im wesentlichen folgende Möglichkeiten alternativ angewandt: 1. Nachladung
der Bordnetzbatterie aus dem von der Antriebsbatterie gespeisten Antriebsmotor über
eine Lichtmaschine, wie sie seither in Verbindung mit Verbrennungsmotoren eingesetzt
wird.
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Dieses zwar sehr billige Verfahren hat jedoch zwei Nachteile.
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Bährend nämlich beim Antrieb der Lichtmaschine durch einen Verbrennungsmotor
während des Fahreinsatzes eine untere Drehzahl - entsprechend der Leerlaufdrehzahl
des Verbrennungsmotors -nie unterschritten wird und damit eine ausreichende Ladung
der Batterie stets gewährleistet ist, kommt der Antriebsmotor des Elektrofahrzeuges
und mit ihm die Lichtmaschine beim Halten -an
Ampeln u. . zum Stillstand.
Die Energieverbraucher, wie Elektronik, Beleuchtung usw. bleiben in diesen Situationen
jedoch eingeschaltet. Ist die Lichtmaschine nun nicht entsprechend überdimensioniert,
kann sich bei besonders ungünstigen Fahrzyklen, z.B. im winter im dichten Stadtverkehr,
wegen der geschilderten Umstände durchaus eine negative Energibilanz für die Bordnetzbatterie
ergeben, so daß sie früher als die Antriebsbatterie entladen ist.
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Ein weit schwerwiegenderer Nachteil der Lichtmaschine ist ihr schlechter
Wirkungsgrad; bei einer Klauenpol-Drehstrom-Lichtmaschine (14 V / 35 A) mit angebautem
Lüfterrad steigt er beispielsweise nicht über 35 %. In einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor
und seinem vorteilhaften Energiespeicrler - dem Benzintank - kann man diesen ungünstigen
Wert leicht in Kauf nehmen. In einem Elektrofahrzeug mit dem Energiespeicher Bleiakkumulator
hingegen wirkt sich ein Verbraucher, der bei einer Geschwindigkeit von 50 km/h ca.
12 % der vom Antriebsmotor abgegebenen Leistung aufnimmt, spürbar auf die erzielbare
Reichweite aus.
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2. Nachladung der Bordnetzbatterie aus der Antriebsbatterie huber
einen elektronischen Ladewandler. Dabei wird die hohe Spannung der Antriebsbatterie
mit iiilfe von elektronischen Schaltkreisen auf die niedere Spannung der Bordnetzbatterie
herabgesetzt und letztere ohne Umweg silber die Antriebsmaschine direkt geladen.
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Der mit solch einem Gerät erzielbare Wirkungsgrad liegt mit 70-80
% - je nach technischer Ausführung - weit über dem der oben angeführten Lichtmaschine.
Dennoch ist bei dieser Lösung zu beachten, daß zumindest ein Teil der von den konventionellen
elektrischen Einrichtungen eines Fahrzeuges benötigten Energie zunächst in der Antriebsbatterie
gespeichert werden muP.. Dieser Anteil wird um so grober, je weniger die Bordnetzbatterie
zu Beginn eines Fahrzyklus aufgeladen ist, und je geringer ihre Speicherkapazitwt
ist.
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Der wesentliche Nachteil eines elektronischen La dewandlers besteht
jedoch in seinen Kosten, die ein VielfacT:es derer einer in großen Stückzahlen gefertigten
Lichtmaschine betragen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, ein einfaches und billiges Ladegerät
zu schaffen, das die Möglichkeit bietet, Antriebs- iiiid Bordnetzbatterie stets
gleichzeitig an einer normalen Steckdose (z. 13. 220 V/50 Hz Wechselspannung) aufzuladen
und Lichtmaschine bzw elektronischen Ladewandler einzusparen, wobei die Bordnetzbatterie
in ihrer Speicherkapazität so an die Antriebsbatterie angepaßt ist, daß sie iiach
der Aufladung iii der Lage ist, unter allen Betriebsbedingungen des Elektrofahrzeuges
die an sie angeschlossenen Verbraucher rait Energie zu versorgell, so lange die
Antriebsbatterie den Fahrmotor speisen kann.
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Das Ladesystem fiir die Antriebsbatterie besteht dabei in an sich
bekarniter leise aus einem insbesondere in Sparschaltung ausgeführten und fiir die
Spannung der Antriebsbatterie nusgelegten Transformator und einem Gleichrichter.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
Transformator. eine fiir die Spannung der Bordnetzbatterie ausgelegte zusätzliche
Sekundärwicklung mit anschließendem Gleichrichter aufweist und daß eine der am Gleichrichter
liegenden Bordnetzbatterie parallelgeschaltete Steuerschaltung vorgesehen ist, die
einen zwischen Gleichrichter und Bordnetzbatterie vorgesehenen Schaltkontakt öffnet,
sobald sie des Überschreiten einer einstellbaren Spannungsschwelle durch die Spannung
der Bordnetzbatterie feststellt.
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Geht man davon aus, daß jedes Elektrofahrzeug ein Gerat zur Ladung
der Antriebsbatterie aus dem Niederspannungsnetz besitzen sollte, so sind die Mehrkosten
fiir des zusätzliche Laden der Bordnetzbatterie verschwindend gering. Die aufgrund
der Erfindung durch das Wegfallen der Lichtmeschine und erst recht eines elektronischen
Ladewandlers eingesparten Kosten können fiir die
Vergräßerung der
Speicherkapazität der sonst üblichen Bordnetzbatterie aufgewendet werden. Selbst
wenn Einsparungen und Mehrausgaben - fiir eine vergrößerte Bordnetzbatterie - wigefähr
ausgeglichen sind, ergeben sich durch die erfindungsgemäßen Einrichtungen Vorteile
fiir das Energieversorgungssystem eines Elektrofahrzeuges insgesamt.
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In der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung ist ein Ausfiihrungsbeispiel
der Erfindung schematisch dargestellt.
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Die Zeichnung zeigt unter anderem den Aufbau des Ladegerätes fiir
die Antriebsbatterie eines Elektrofahrzeuges. Es ist dies die einfachste Schaltung,
mit der eine Batterie 4 aus einer Einphasenwechselspannungsquelle 1 geladen werden
kann. Ein Transformator 2 wandelt die Eingangsspannung U1 auf den Wert, der am Eingang
des Brückengleichrichters 3 benötigten Spannung um.
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Liegt der Wert von U2, der seinerseits von der Spannung UA der Antriebsbatterie
4 abhängt, in der Nihe der Netzspannung Ul, so wird man die Wicklung des Transformators
2 im Hinblick auf seine Baugröße zweckmäßigerweise in einer Sparschaltung ausführen.
In dieser Schaltung trägt der Transformator nur eine Wicklung mit einer dem gewünschten
Übersetzungsverhältnis entsprechenden Anzapfung. In der Zeichnung ist diese Schaltung
fiir U1 ) U2 dargestellt. Selbstverstalldlicll kann die Sparschaltung auch für U
< U2 ausgeführt werden. Im gezeichneten Fall ist die "Sekundärwicklung" Bestandteil
der "Primärwicklung"; in ihr fließt nur die Differenz der Ströme (I2 - I1). Fiir
U1 C U2 gelten die umgekehrten Verhältnisse. In dieser Sparschaltung benötigt z.
B. ein Transformator fiir ein Ladegerät einer 72zelligen Bleibatterje mit Anschlun
an ein 220 V-Netz weniger als 1/3 der Bauleistung eines Transformators mit getrennten
Wicklungen fiir das gleiche Ladegerät.
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Es ist bekannt, durch entsprechenden Aufbau des Transformotors 2 Streuinduktivitäten
in deii Wechselstromkreis des Ladegerätes einzubauen, um auch mit einem ungesteuerten
Brückengleichrichter 3 eine gewünschte Ladekennlinie (IA = f (UA)) zu erhalten.
So soll z. 11. bei völlig entladener Batterie der Strom IA so groß sein, daß die
Antriebsbatterie iii längstens 10 - 12 h vollgeladen werden kamm. Mit steigender
Ka)azitat muß der Strom IA dann auf den Wert des Ausgleichladestromes absinken,
mit dem die Batterie ständig geladen werden kann. Dieses Verfahren wird auch hier
zweckmäßigerweise angewandt.
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Die Schaltung wird erfindungsgemäß mit der getrennten Sekundärwicklung
5 des Transformators 2 und dem zweiten Briickengleich richter 6 erweitert, um die
Bordnetzbatterie 7 laden zu können.
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Die Windungszahl der Wicklung 5 läßt sich in bekannter Weise aus den
Größen U1, UB und IB ermitteln. Wie im Stromkreis für das Laden der Antriebsbatterie
ließe sich die Wicklung 5 so auf den Eisenkern des Transforniators aufbringen, daß
mit dem ungesteuerten Briickengleichricilter 6 eine sinnvolle Ladekennlinie (IV
= f(UB)) fiir das Ladesystem der Bordnetzbatterie allein erzielt werden könnte.
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Es besteht jedoch unvermeidlich eine Abhängigkeit der Spannung U3
an der Wicklung 5 auch vom Ladestrom IA der Antriebsbatterie 4, d. h. bei großem
Strom 1A wird U3 und damit Ig aufgrund der Spannungsabfälle in der Primärwicklung
des Transformators 2 kleiner sein als bei kleinem Strom IA. Wird nun fiir diesen
Fall die Wicklung 5 so ausgelegt, daß der Strom In für eine vollständige Aufladung
der Bordnetzbatterie während der Ladezeit der Antriebsbatterie ausreicht, was stets
gewährleistet sein muß, so ist bei vollgeladener Antriebs- und Bordnetzbatterie
eine automatische Reduzierung des Stromes IB mit der vorliegenden, einfachen Schaltung
auf den entsprechenden Wert des Ausgleichsladestromes der Bordnetzbatterie nicht
möglich.
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Daher wird der Briickengleichrichter 6 iiber einen gesteuerten
Kontakt
9 an die Bordnetzbatterie 7 geschaltet, und dieser Kontakt 9 von einer Steuerschaltung
8 geöffnet, sobald von derselben das Überschreiten einer einstellbaren Spannungsschwelle
festgestellt wird.
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Aufgrund der weit größeren Leistung PA = IA . UA gegenüber PB = IB
. UB ergibt sich praktisch keine Abhängigkeit der Spannung U2 und damit des Ladestromes
IA der Antriebsbatterie 4 vom Ladestrom IB der Bordnetzbatterie 7. Daher ist für
den Ladestromkreis der Antriebsbatterie die angegebene einfache Schaltung gemäß
der Zeichnung völlig ausreichend.