-
-
Verfahren zum Laden eines Akkumulators und
-
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zum Laden eines Akkumulators und eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
-
Eine Ladevorrichtung besteht in ihrer einfachsten Ausführung aus einem
Gleichrichter, welcher bei Doppelweggleichrichtung gerichtete Gleichstromhalbwellen
der doppelten Netzfrequenz erzeugt. Ist die Ladevorrichtung mit dem zu ladenden
Akkumulator verbundene so fließt ein Ladestrom, solange die Spannung die EMK des
Akkumulators übersteigt. Bei voller Aufladung des Akkumulators übersteigt die Spitzenspannung.
der Ladevorrichtung die Nennspannung des Akkumulators und es besteht die Gefahr
daß der Akkumulator überladen wird.
-
Eine Oberladung Jedoch bedeutet den Verlust erektrischer Energie und
vermindert die Leistungsfähigkeit und die Lebensdauer des Akkumulators.
-
Zur Vermeidung einer verladung des Akkumulators ist es bekannt, der
Ladevorrichtung eine ein Relais steuernde Zenerdiode zuzuordnen. Das Relais unterbricht
die StromzufAhrung zum Akkumulator , wenn die der vollen Ladespannung entsprechende
Spannung erreicht ist.
-
Eine solche Ladevorrichtung jedoch hat den Nachteil, daß die Stromzuführung
schon dann unterbrochen ist, wenn der Spitzenwert der Ladestromimpulse die der vollen
Aufladung entsprechende Spannung erreicht, so daß der Akkumulator nicht seine volle
Ladekapazität erreichen kann.
-
Zur Steuerung des Ladevorgangs von Akkumulatoren sind eine Vielzahl
Verfahren und Ladevorrichtungen d annt: So werden beispielsweise eine Spannungssteuerung
mit dem absoluten Spannungswert des Akkumulators, ein zeitlich gesteuerter Ladestrom,
der innere Druck oder die Temperatur der Zellen des Akkumulators als Steuermittel
verwendet. Der Ladevorgang wird dann jeweils abgebrochen, wenn der gemessene Parameter
einen vorgegebenen Wert erreicht.
-
All diese bekannten Maßnahmen sind entweder nicht sicher und zuverlässig,
da sie den Akkumulator nicht immer auf seine volle Kapazität aufladen, bzw. eine
Sberladung nicht ausgeschlossen werden kann, oder sie weisen sich Jeweils aus dem
System ergebende Nachteile auf, wie beispielsweise eine Verringerung der Energiedichte
oder erhöhte Herstellungskosten für den Akkumulator.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Akkumulatoren unabhangig
von dem Zustand ihrer Entladung so aufgeladen, daß beim Erreichen ihrer vollen Kapazität
der
Ladevorgang selbsttätig und zuverlässig unterbrochen ist, ohne
den Akkumulator zu überladen, und eine Überladung auch dann zu vermeiden, wenn der
Akkumulator beispielsweise infolge Alterung nicht mehr seine volle Nennkapazität
erreicht.
-
Diese Aufgabe wird entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch
gelöst, daß der Akkumulator mit konstantem Ladestrom geladen wird, daß die Spannung
am Akkumulator jeweils nach Ablauf einer definierten Zeitspanne abgefühlt und gespeichert
wird, wenn die Steigerungsraten der Spannung oberhalb eines vorgegebenen Wertes
liegen, und daß nach Ablauf einer weiteren definierten Zeitspanne nach dem Abfühlen
der Ladestrom unterbrochen wird, wenn die Steigerungsrate der Spannung unterhalb
eines vorgegebenen Wertes liegt.
-
Die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet,
daß ein Netzteil den Akkumulator mit konstantem Ladestrom versorgt, daß dem Akkumulator
jeweils nach Ablauf iner von einer Zeitsteuerung definierten, gleichbleibenden Zeitspanne
ein Analogwertspeicher kurzzeitig zugeschaltet ist, daß dem Analogwertspeicher ein
Auswerter nachgeschaltet ist, daß der Auswerter einen Impuls an die ihm nachgeschaltete
Zeitsteuerung abgibt, welcher die Zeitsteuerung zurücksetzt und den Analogwertspeicher
vom Akkumulator abschaltet, wenn die Steiegerungsraten der Spannung am Akkumulator
einen vorgegebenen Wert überschreiten, und daß die Zeitsteuerung über die definierte
Zeitspanne hinaus nach Ablauf einer weiteren, definierten
Zeitspanne
einen Impuls an einen ihr nachgeschalteten Abschalter abgibt, welcher die Stromzufuhr
vom Netzteil zum Akkumulator unterbricht, wenn die Steigerungsrate der Spannung
am Akkumulator den vorgegebenen Wert unterschreitet.
-
Mit einem solchen Verfahren ist es gewährleistet, daß der Akkumulator
selbsttätig unabhängig von seinem Entladezustand stets zuverlässig auf seine volle
Kapazität geladen wird, ohne überladen zu werden. Temperatur-und altersbedingte
Veränderungen der Ladeschlußspannung des Akkumulators führen weder zu einer vorzeitigen
Unterbrechung des Ladevorganges, noch zu einer Überladung. Dies gilt für ebensolche
Veränderungen der in der Ladevorrichtung verwendeten Bauelemente in gleicher Weise.
Anderungen am Akkumulator selbst mit den sich daraus ergebenden Nachteilen brauchen
nicht vorgenommen zu werden. Es können auch Akkumulatoren mit verschiedenen Betriebsspannungen
ohne Umschaltung geladen werden.
-
Das erfindungsgemße Verfahren sowie die Vorrichtung zur Durchführung
dieses Verfahrens ist bei der Aufladung gasdichter elektrochemischer Sekundärzellen,
wie Nickel-Cadmium-Zellen, besonders vorteilhaft.
-
Weitere Merkmaleund Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche
gekennzeichnet.
-
Die Erfindung ist nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher
erläutert; es zeigen in schematischer Darstellung: Figur 1 die Ladevorrichtung in
einem Blockschaltbild; Figur 2 das elektrische Schaltbild der Ladevorrichtung.
-
In der Figur 1 ist mit 1 ein Netzteil zur Energieversorgung der Ladevorrichtung
und mit 2 der zu ladende Akkumulator bezeichnet. Zwischen dem Netzteil 1 und dem
Akkumulator 2 ist eine Konstantstromquelle 3 und eine Starttaste 4 geschaltet. Parallel
zur Starttaste 4 ist ein Relaisschalter 5 angeordnet. Zwischen die Konstantstromquelle
3 und dem zu ladenden Akkumulator 2 ist der eine Pol des Relais schalters 6 angeschlossen,
dessen anderer Pol am Eingang eines Analogwertspeichers 7 liegt. Dem Analogwertspeicher
7 ist ein Auswerter 8 nachgeschaltet. Der Ausgang des Auswerters 8 ist mit dem Eingang
einer Zeitsteuerung 9 verbunden. Die Zeitsteuerung 9 beeinflußt den Relaisschalter
6. Der Zeitsteuerung 9 ist ein Abschalter 10 nachgeschaltet, welcher den Relais
schalter 5 beeinflußt. Das Netzteil 1 ist mit einer Anzeigelampe 11 versehen.
-
Das Netzteil 1 liefert eine gleichgerichtete Spannung, die wenig gr8ßer
ist als die Spannung des Akkumulators 2. Die Anzeigelampe 11 leuchtet, solange das
Netzteil 1 Strom liefert. Die Konstantstromquelle 3 hält den vom Netzteil 1 gelieferten
Ladestrom auch bei Anderung der Akkumulatorspannung konstant. Die Konstantstromquelle
3 kann in beliebiger Ausführung aufgebaut
sein; im einfachsten
Falle besteht sie aus einem Widerstand oder einer Lampe. Durch ein kurzzeitiges
Schließen der Starttaste 4 schließt auch der Relaisschalter 5 und der Ladevorgang
beginnt: es fließt ein konstanter Ladestrom vom Netzteil 1 in den Akkumulator 2.
Der Relaisschalter 5 bleibt bis zur Beendigung des Ladevorganges geschlossen. Jeweils
nach Ablauf einer definierten Zeitspanne nach Beginn des Ladevorganges, beispielsweise
nach Ablauf von 15 Minuten, wird durch die Zeitsteuerung 9 ein Schließen des Relaisschalters
6 verursacht. Da während des Ladevorganges die Spannung am Akkumulator 2 stetig
ansteigt, wird nach jedem Schließen des Relais schalters 6 ein höherer Spannungs
wert im Analogwertspeicher 7 eingespeichert. Der Auswerter 8 am Ausgang des Analogwertspeichers
7 erzeugt bei jeder Erhöhung des gespeicherten Spannungswertes einen Impuls auf
die Zeitsteuerung 9. Dieser Impuls setzt die Zeitsteuerung 9 wieder zurück; dadurch
wird der Relaisschalter 6 geöffnet. Nach weiteren 15 Minuten wird durch die Zeitsteuerung
9 der Relaisschalter 6 erneut geschlossen. Wenn der neue Ladespannungswert wiederum
größer ist als der zuletzt eingespeicherte, gibt der Auswerter 8 erneut einen Impuls
ab , die Zeitsteuerung 9 setzt zurück und der Relaisschalter 6 wird geöffnet. Dies
wiederholt sich solange, bis die Ladespannung des Akkumulators 2 nicht mehr ansteigt
bzw. bis deren Steigerungsraten kleiner sind als ein vorgegebener Wert. Dann gibt
der Auswerter 8 keinen Impuls ab, die Zeitsteuerung 9 wird nicht zurückgesetzt und
der Relaisschalter 6 bleibt geschlossen. Die Zeitsteuerung läuft dann noch weiter
und gibt
nach einer weiteren, definierten Zeitspanne, z.B. nach
5 Minuten, ihrerseits einen Impuls auf den Abschal-5 ter 10. Dieser betätigt den
RelaisschalteS. Der Relaisschalter 5 öffnet und unterbricht den Ladestrom kreis.
Damit ist der Ladestrom für den Akkumulator 2 abgeschaltet. Wenn das Netzteil 1
keinen Strom mehr liefert, erlischt auch die AnzeigeLampe 11.
-
Das Netzteil 1 aus der Figur 1 ist gemäß der Figur 2 als stabilisiertes
Netzteil aufgebaut und dient zur Energieversorgung des zu ladenden Akkumulators
und der Ladevorrichtung. Es enthält im wesentlichen einen Netztransformator 12,
einen Gleichrichter 13 in Graetz-Brückenschaltung, einen Glättungskondensator 14
und einen integrierten Schaltkreis 15 zur Spannungsstabilisierung. In den Ausgangskreis
eines dem integrierten Schaltkreis zugeschalteten Transistors 16 ist eine Leuchtdiode
17 geschaltet, sie entspricht der Anzeigelampe 11 in der Figur 1. Die Leuchtdiode
17 zeigt an, daß der Akkumulator 2 geladen wird; sie erlischt, wenn der Ladevorgang
beendet ist.
-
An den Ausgang des Netzteils ist eine Starttaste 4 geschaltet. Parallel
zur Starttaste 4 ist ein Relaiskontakt 18 angeordnet.
-
Die Konstantstromquelle 3 aus der Figur 1 ist gemäß der Figur 2 aus
einem Transistor 19, den Dioden 20 und 21 sowie dem Widerstand 22 im Basiskreis
und dem Widerstand 23 im Ausgangskreis des Transistors gebildet.
-
Die Dioden 20 und 21 können durch eine Zen eAlode er- ersetzt sein.
Mittels dieser Schaltungsmaßnahme wird ein konstanter Ladestrom an den Akkumulator
2 geliefert.
-
Der Akkumulator 2 ist mit einer vorgeschalteten Diode 24 an den Ausgang
des Transistors 19 geschaltet. Die Diode 24 stellt einen Schutz gegen Spannungsverpolung
dar. Die Diode und der Akkumulator können ortes fern von der Ladevorrichtung in
einem Gehäuse 25 eines vom Akkumulator gespeisten Gerätes, beispielsweise in einem
Handunksprechgerät, angeordnet sein, das während des Ladevorganges an die Ladevorrichtung
angeschlossen ist.
-
Der Analogwertspeicher 7 aus der Figur 1 besteht gemäß der Figur 2
aus einem Feldeffekttransistor 26 mit einem Kondensator 28 am Gate-Anschluß und
einem Ausgangswiderstand 29. Ein in den Signalweg am Gate-Anschluß geschalteter
Widerstand 27 verhindert, daß nach dem Abschalten beim Entladen des Kondensators
28 über den Feldeffekttransistor 26 ein zu großer Strom in dessen Gate-Anschluß
fließt. Zwischen dem Ausgang der Konstantspannungsquelle 3, d.h. dem Ausgang des
Transistors 19, und dem Eingang des Analogwertspeichers 7, d.h. dem Kondensator
28, ist ein Relaiskontakt 30 angeordnet. Der Relaiskontakt 30 entspricht dem Schalter
6 in der Figur 1.
-
Der Auswerter 8 aus der Figur 1 ist gemäß der Figur 2 im wesentlichen
aus einem Operationsverstärker 31, einem diesem Verstärker nachgeschalteten Kondensator
32, einem
Feldeffekttransistor 33 und einem Transistor 34 gebildet.
Die Ausgangskreise der Transistoren sind zusammen mit einer Relaisspule 35 in Reihe
geschaltet. Der Basis des Feldeffekttransistors sind als Querelemente in Parallelschaltung
ein Widerstand 36 und ein Kondensator 37 und als Längselemente in Reihe eine Diode
38 und ein Widerstand 39 direkt am Gate-Anschluß zugegeschaltet, der Basis des Transistors
34 als Querelemente in Parallelschaltung ein Widerstand 40, ein Kondensator 1+1
und eine Diode 42. Dabei leitet der Widerstand 40 Leckströme des Kondensators 32
ab und die Diode 42 schützt den Transistor 34 vor Durchbruch der Basis-Emitter-Strecke.
Der Kondensator 41 ebenso wie ein aus einem Widerstand 43 und einem Kondensator
44 gebildetes RC-Glied am Eingang des Operationsverstärkers 31 sollen durch Schaltknacke
im Netz verursachte Störungen verhindern. Der Widerstand 39 im Längs zweig der Basis
des Feldeffekttransistors 33 ist zur Begrenzung des Gate-Stroms nach dem Abschalten
beim Entladen der Kondensatoren vorgesehen. Zwischen den Kondensator 32 und die
Basis des Transistors 34 ist ein weiterer Widerstand 45 geschaltet.
-
Die Zeitsteuerung 9 aus der Figur 1 besteht im wesentlichen gemäß
der Figur 2 aus einem Feldeffekttransistor W6, an dessen Eingang ein einerseits
aus Widerständen 47 und 48 und anderersets aus einem Kondensator 49 gebildeter Spannungsteiler
geschaltet ist, sowie einem dem Feldeffe ransistor nachgeschalteten Transistor 50,
in dessen Ausgangskreis eine Relaisspule 51 geschaltet ist. Der aus den Widerständen
47, 48 und dem
Kondensator 49 gebildete Spannungsteiler stellt
das Zeitglied der Zeitsteuerung dar. Die Relais spule 51 betätigt den Relaiskontakt
30. Zwischen den beiden den einen Zweig des Spannungsteilers bildenden Widerständen
47 und 48 ist ein gegen das elektrische Massepotential geschalteter Relaiskontakt
52 der Relais spule 35 geschaltet, so daß bei geschlossenem Relaiskontakt 52 der
Kondensator 49 überbrückt ist. Ein an die Basis des Feldeffekttransistors 46 geschalteter
Widerstand 53 ist zur Begrenzung des Gate-Stromes nach dem Abschalten beim Entladen
der Kondensatoren vorgesehen.
-
Der Abschalter 10 in der Figur 1 ist gemäß der Figur 2 im wesentlichen
aus einem Transistor 54 gebildet, dest sen Eingang mit dem Ausgang des Feldeffekttransisors
46 verbunden ist. Das Emitterpotential des Transistors 54 ist mittels einer Zenerdiode
55 gehalten und im Kollektorkreisist eine Relais spule 56 angeordnet. Die Relaisspule
56 betätigt den Relaiskontakt 18.
-
Die Ladevorrichtung wird durch die Starttaste 4 in Betrieb genommen.
Ein kurzes Schließen der Starttaste 4 bewirkt, daß die Relais spule 56 aktiviert
wird und den Relaiskontakt 18 schließt. Dann fließt während des Ladevorganges ein
Strom vom Netzteil über den Relaiskontakt 18 durch den Transistor 19 der Konstants-tromquelle
zum Akkumulator 2. Mittels der Konstantstromquelle wird der Ladestrom konstant gehalten.
Jeweils nach Ablauf einer definierten Zeitspanne, welche durch das aus den Widerständen
47 und 48 und dem Kondensator 49 gebildete Zeitglied bestimmt ist, beispielsweise
nach
jeweils 15 Minuten, sind infolge der Ladung am Kondensator
49 der Feldeffekttransistor 46 und der nachgeschaltete Transistor 50 soweit durchgesteuert,
daß die Relaisspule 51 aktiviert wird. Über die Relaisspule 51 wird dann der Relaiskontakt
30 geschlossen. Die Gegenkopplung des Operationsverstärkers 31 ist so eingestellt,
daß sie seine Gleichspannungsverstärkung auf 1 begrenzt. Für Wechselspannung arbeitet
der Operationsverstärker 31 praktisch in Leerlaufverstärkung. Eine geringe Gleichspannungsänderung
an seinem Eingang führt zu einem großem Impuls an seinem Ausgang. Der Kondensator
32 befreit diesen Impuls von seinem Gleichspannungsanteil und führt ihn über den
Widerstand 45 auf die Basis des Transistors 34. Da diese Schaltung jeden Impuls
außerdem differenziert, d.h. aus seiner ansteigenden Flanke einen positiven und
aus seiner abfallenden Flanke einen negativen Impuls liefert, folgt jedem hinter
dem Kondensator 32 abgenommenen Impuls ein Impuls umgekehrter Polarität. Steigt
z.B. beim Schließen des Relaiskontaktes 18 die Spannung am Kondensator 28 an, weil
während des Ladevorgangs die Spannung am Akkumulator 2 ansteigt, so erscheint im
Auswerter dann am Gate des Feldeffekttransistors 33 und an der Basis des Transistors
34 ein positiver Impuls, dem ein negativer Impuls folgt. Dann erfolgt kurzzeitig
ein Stromfluß durch die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors 34, durch die
Source-Drain-Strecke des Feldeffekttransistors 33 und die Relaisspule 35. Über die
Relaisspule 35 wird der geöffnete Relais kontakt 52 in der Zeitsteuerung geschlossen.
Der Kondensator 49 wird infolge des nun geschlossenen Relaiskontaktes 52 vollständig
entladen
und die Steuerspannung am Gate des Feldeffekttransistors 46 bricht zusammen. Die
Relaisspule 51 fällt ab und der Relaiskontakt 30 wird wieder geöffnet.
-
Da bei geöffnetem Relaiskontakt 30 kein Impuls über den Operationsverstärker
kommt, fällt die Relaisspule 35 ebenfalls ab und der Relaiskontakt 52 wird geöffnet.
-
Nach Ablauf der durch das Zeitglied 47, 48, 49 bestimmten Zeitspanne
wiederholt sich der Vorgang solange, bis der Akkumulator 2 voll geladen ist.
-
Ist der Akkumulator 2 voll geladen, so wird wiederum infolge der wachsenden
Steuerspannung am Gate des Feldeffekttransistors 46 dieser und der nachgeschaltete
Transistor 50 so weit durchgesteuert, daß die Relaisspule 51 aktiviert und der Relaiskontakt
30 geschlossen wird. Da der Akkumulator 2 nunmehr voll geladen ist, steigt auch
die Spannung am Kondensator 28 beim Schliessen des Relaiskontaktes 30 nicht an.
Dann wird im Auswerter an der Basis des Transistors 34 ein negativer Impuls erzeugt,
dem ein positiver Impuls nachfolgt. Der Feldeffekttransistor 33 zusammen mit dem
Widerstand 36, dem Kondensator 37, der Diode 38 und dem Widerstand 39 unterdrückt
aber jeden positiven Impuls, dem ein negativer Impuls vorausgegangen ist, so daß
nunmehr die Relais spule 35 nicht aktiviert wird und demzufolge auch der Relaiskontakt
52 in der Zeitsteuerung nicht geschlossen wird, sondern geöffnet bleibt. Der Kondensator
49 des Zeitgliedes 47, 48, 49 der Zeitsteuerung wird über eine definierte Zeitspanne
hinweg, welche beispielsweise 5 Minuten beträgt, weiter aufgeladen.
-
Wenn die Steuerspannung am Gate des Feldeffekttransistors 46 einen
bestimmten, diese Zeitspanne definierenden Betrag über die Spannung ansteigt, welche
zum Aktivieren der Relaisspule 51 erforderlich ist, so wird der Feldeffekttransistor
46 so weit durchgesteuert, daß die Steuerspannung am Transistor 54 des Abschalters
so weit absinkt, daß der Stromfluß durch die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors54
nicht mehr ausreichend groß ist, um die Relaisspule 56 zu aktivieren.
-
Die Relais spule 56 fällt ab und öffnet den Relaiskontakt 18. Damit
ist der Stromfluß vom Netzteil über die Konstantstromquelle zum Akkumulator unterbrochen.
Der Ladevorgang ist beendet; die Leuchtdiode 17 erlischt.
-
Die Kondensatoren 28 und 49 entladen sich über die Gate-Source-Strecken
der Feldeffekttransistoren 26 und 46.
-
Dadurch ist beim Wiedereinschalten der Ladevorrichtung gewährleistet,
daß im Kondensator 28 nicht noch die volle Ladespannung des während des vorhergehenden
Ladevorganges geladenen Akkumulators gespeichert ist.
-
Ferner ist dadurch gewährleistet, daß beim Wiedereinschalten das Zeitglied
der Zeitschaltung, zum Zeitpunkt Null beginnend, die volle definierte Zeitspanne
durchläuft und nicht mit einer Restspeicherung im Kondensator 49 behaftet ist. Es
ist möglich, anstelle der verwendeten Relais in der Schaltung Halbleiterbauelemente
zu setzen. Das Relais 35 und der Transistor 34 lassen sich durch einen Schmitt-Trigger
ersetzen.
-
Bei Verwendung einer geeigneten Konstantstromque¢ können ohne 'Jmschaltui.
dem Sadevvríchtung Akkumulatoren mit verschiedenen Betriebsspannungen an der selben
Ladevorrichtung geladen werden, sofern sie den
gleichen Ladestrom
benötigen. Dies ist möglich, da der absolute Spannungswert des Akkumulators nicht
als Kriterium zur Beendigung des Ladevorgangs herangezogen wird.
-
Verzeichnis der Bezugszeichen 1. Netzteil 2 Akkumulator 3 Konstantspannungsquelle
4 Starttaste 5, 6 Relaisschalter 7 Analogwertspeicher 8 Auswerter 9 Zeitsteuerung
10 Abschalter 11 Anzeigelampe 12 Netztransformator 13 Gleichrichter 14 Glättungskondensator
15 integrierter Schaltkreis 16 Transistor 17 Leuchtdiode 18 Relaiskontakt 19 Transistor
20, 21 Diode 22, 23 Widerstand 24 Diode 25 Gehäuse
26 Feldeffekttransistor
27 Widerstand 28 Kondensator 29 Widerstand 30 Relaiskontakt 31 Operationsverstärker
32 Kondensator 33 Feldeffekttransistor 34 Transistor 35 Relaisspule 36 Widerstand
37 Kondensator 38 Diode 39, 40 Widerstand 41 Kondensator 42 Diode 43 Widerstand
44 Kondensator 45 Widerstand 46 Feldeffekttransistor 47, 48 Widerstand 49 Kondensator
50 Transistor 51 Relais spule 52 Relaiskontakt 53 Widerstand 54 Transistor 55 Zenerdiode
56 Relaisspule 15 Patentansprüche 2 Blatt Zeichnungen