DE2733594A1

DE2733594A1 - Schaltungsanordnung zum laden einer wiederaufladbaren batterie

Info

Publication number: DE2733594A1
Application number: DE19772733594
Authority: DE
Inventors: Hans-Dietrich Girle; Rolf Reuber
Original assignee: Graetz GmbH and Co OHG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1977-07-26
Filing date: 1977-07-26
Publication date: 1979-02-01
Also published as: DE2733594B2; FI67000B; FR2399149A1; DE2733594C3; FI67000C; FR2399149B1; CH633134A5; FI782329A

Description

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SCHALTUNGSANORDNUNG ZUM LADEN EINER WIEDERAUFLADBAREN BATTERIE

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie mit einer den Ladestronweg speisenden Gleichspannungsquelle, einem im Ladestromweg angeordneten Widerstand zur Begrenzung des Ladestromes und einem ebenfalls im Ladestromweg angeordneten steuerbaren Längstransistor, ferner mit einem parallel zur Batterie angeordneten, aus einem einstellbaren Teilerzweig und einem Basiszweig bestehenden Spannungsteiler und mit einer Schwellwertanordnung, die mit einem überwachungseingang an den Abgriff des Spannungsteilers angeschlossen ist und von der Spannung an diesem Abgriff gesteuert wird und die ihrerseits den Längstransistor sperrt, wenn die Spannung am Abgriff einen oberen Schwellwert der Schwellwertanordnung Oberschreitet, und den Längstransistor leitend steuert, wenn die Spannung am Abgriff einen unteren Schwellwert unterschreitet. Eine derartige Schaltungsanordnung ist beispielsweise aus der uT-AS 22 55 894 bekannt.

Schaltungsanordnungen der genannten Art werden insbesondere zum Laden wiederaufladbarer Batterien verwendet, die z. B.

In tragbaren elektrischen Geräten angeordnet und in diesen Geräten zu deren Stromversorgung vorgesehen sind. Zu diesem Zweck sind derartige Schaltungsanordnungen zum Laden wiederauf ladbarer Batterien in sogenannten Ladegeräten oder eine größere Anzahl derartiger Schaltungsanordnungen in Ladeeinrichtungen mit mehreren Ladeplätzen eingebaut. Zur Ladung können die Batterien aus dem Batteriefach des tragbaren Gerätes herausgenommen und in eine Aufnahmevorrichtung des Ladegerätes eingelegt werden. Es ist jedoch auch bekannt» an tragbaren elektrischen Geräten Steckervorrichtungen anzubringen, über die die in dem Gerät enthaltenen Batterien wiederaufgeladen werden können und diese Geräte zum Wiederaufladen ihrer Batterien in Fassungen mit einer Gegenstekkervorrichtung einer Ladeeinrichtung einzusetzen.

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In vielen Fällen sollen tragbare, mit wiederaufladbaren Batterien betriebene elektrische Geräte in sehr kurzer Zeit wieder betriebsbereit sein und bei einer nicht sofortigen Wiederbenutzung in voll aufgeladenem Zustand bereitgehalten werden. Die Batterien dieser Geräte werden zunächst mittels einer sogenannten Schneiladung aufgeladen. Anschließend wird die Ladung der Batterien durch einen dauernd fließenden Ladeerhaltungsstrom aufrechterhalten. Da die wiederaufladbaren Batterien bei einem kleinen Volumen eine hohe Ladekapazität aufweisen und gegen eine Überladung besonders empfindlich sind, werden insbesondere an die Scnnelladung hohe Anforderungen bezüglich der Einhaltung maximaler Ladewerte gestellt. Diese hohen Anforderungen können nur mit automatischen Ladeüberwachungsschaltungen in den Schaltungsanordnungen zur Ladung wiederaufladbarer Batterien erfüllt werden.

Aus der DT-AS 22 55 894 ist eine Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art zur Ladung einer wiederaufladbaren Batterie bekannt, bei der im Ladestromweg ein den Ladestrom begrenzender Widerstand, ein schaltbarer Längstransistor und eine Diode in Flußrichtung liegen. An den parallel zur Serienschaltung aus Diode und Batterie liegenden Spannungsteiler ist eine Schwellwertanordnung mit einem unteren und einem oberen Schwellwert angeschlossen. Bei Erreichen der maximalen Ladespannung der Batterie sperrt die Schwellwertanordnung der bekannten Schaltung wegen Überschreitens des oberen Schwellwertes den Längstransistor. Ein parallel zum Spannungsteiler angeordneter Kondensator entlädt sich über diesen, bis der untere Schwellwert der Schwellwertanordnung unterschritten ist, wodurch der Längstransistor wieder leitend geschaltet wird. Nach der ersten VoIladung erhält die Batterie somit fortwährend Nachladestromstöße zur Erhaltung ihrer VoIladung. Bei sehr großen Schnelladeströmen, die wesentlich über dem normalen Ladestrom, z. B. wesentlich

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über dem zehnstündigen Entladestrom liegen, 1st dieses Verfahren der Ladeerhaltung nicht mehr geeignet, da andernfalls ein sehr schneller Verschleiß oder eine baldige Zerstörung der wiederaufladbaren Batterie auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Ladung wiederaufladbarer Batterien anzugeben, die für sehr hohe Ladeströme, bis in die Größenordnung eines einstündigen Entladestromes geeignet ist und die anschließend an die Schneiladung eine fortwährende, für die Batterie unschädliche Ladeerhaltung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß erstens der untere Schwellwert einer Spannung der angeschlossenen Batterie entspricht, die im Bereich der Tiefentladespannung der Batterie oder darunter liegt, daß zweitens dem Längstransistor ein ohmscher Ladeerhaltungszweig parallel geschaltet ist, daß drittens dem Basiszweig des Spannungsteilers ein Verkürzungszweig parallel geschaltet ist, der aus einem Widerstand und einem Schalter besteht und dessen

Widerstand gegenüber dem Teilerzweig des Spannungsteilers

so bemessen ist, daß sich im leitenden Zustand des Schalters am Abgriff des Spannungsteilers eine Spannung einstellt, die stets kleiner ist als der untere Schwellwert der Schwellwertanordnung, auch wenn sich im Ladestromweg keine Batterie befindet, daß viertens parallel dem von der Batterie gebildeten Teil des Ladestromweges ein zweiter Schwellwertschalter angeordnet ist, dessen Schwellwertspannung größer als der diesen steuernden Schwellwertanordnung gesperrt wird, und daß fünftens zwischen den Steuerausgang des zweiten Schwellwertschalters und den Steuereingang des Schalters des Verkürzungszweiges eine Schaltverzögerungsanordnung eingefügt ist, deren Abschaltverzögerung größer ist als die Abklingzeit der Spannung am Spannungsteiler unmittelbar nach dem Einfügen der Batterie in den Ladestromweg.

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Mit den Maßnahmen der Erfindung wird in vorteilhafter Weise insbesondere erreicht, daß jede in das Ladegerät eingesetzte Batterie zunächst an einen einmaligen Schnelladevorgang angeschlossen wird. Der Schnelladestrom kann unabhängig von einem zulässigen Nachladestrom oder Ladeerhaltungsstrom auf den höchstzulässigen Ladestrom eingestellt werden. Damit ist die wiederaufladbare Batterie in kürzester Zeit wieder betriebsbereit und wird durch einen geeigneten, gegenüber dem Schnelladestrom um ein Vielfaches kleineren Ladeerhaltungsstrom für eine beliebig lange Zeit im voll geladenen Zustand betriebsbereit gehalten.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung bestehen darin, daß der Schalter im Verkürzungszweig ein Transistor ist und/oder daß der zweite Schwellwertschalter eine strombegrenzte Zenerdiode ist.

Die Schaltverzögerungsanordnung ist in einer vorteilhaften Ausbildung ein Kondensator mit einem Lade- und einem Entladewiderstand. Die Schwellwertanordnung kann beispielsweise ein "Schmitt-Trigger mit einer entsprechend groß eingestellten Hysteresis sein oder aus einem Komparator gebildet werden, an dem mittels einer geeignet bemessenen Gegenkopplung eine entsprechend große Hysteresis eingestellt ist.

Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele nähererläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Figur 1 eine Schaltungsanordnung zum Laden wiederaufladbarer Batterien in einer schematischen Blockdarstellung,

Figur 2 zwei Spannungsdiagramme zur in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung

Figur 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Schaltungsanordnung zur Ladung wiederaufladbarer Batterien.

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Die in Figur 1 in einem Blockschaltbild schematisch dargestellte Anordnung zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie 1 enthält einen in Zeichnung mit einer dick ausgezogenen Linie dargestellten Ladestromweg 2, der aus einer Gleichspannungsquelle 3 gespeist wird und der einen Längstransistor 4 einer Transistoranordnung 5, einen den Ladestrom begrenzenden Widerstand 6 und zwei Anschlüsse 7 und 8 zum Anschluß der wiederaufladbaren Batterie in den Ladestromweg. Parallel zum Längstransistor 4 ist ein Ladeerhaltungszweig 9 mit einem Widerstand 10 angeordnet, über die Anschlüsse 7 und 8 für die Batterie liegt ein Spannungsteiler, dessen Basiszweig aus einem Widerstand 11 und dessen Teilerzweig aus einem einstellbaren Widerstand 12 besteht. An den Abgriff 13 des Spannungsteilers ist der Uberwachungseingang 14 einer Schwellwertanordnung 15 mit einem oberen Schwellwert U„. und einem unteren Schwellwert U_₂ für die überwachte Spannung angeschlossen. Der Ausgang 16 der Schwellwertanordnung ist mit dem Steuereingang der den Längstransistor enthaltenden Transistoranordnung verbunden.

Dem Spannungsteiler 11/12 liegt ein Schwellwertschalter 17 parallel, der über eine Schaltverzögerungsanordnung 18 einen Schalter 19 in einem parallel zum Basiszweig 11 des Spannungsteilers liegenden Verkürzungszweig steuert. Neben dem Schalter 19 enthält der Verkürzungszweig einen Widerstand 20.

Die Wirkungsweise der in Figur 1 dargestellten Schaltungsanordnung wird anhand der Diagramme a und b der Figur 2 erläutert. Iir. Diagramm a ist die Spannung U.- am Abgriff 13 des Spannungsteilers 11/12 in verschiedenen Betriebszuständen der Schaltungsanordnung dargestellt, im Diagramm b die zugehörige Spannung U₇ am Anschluß 7 im Ladestromweg 2. Im Zeitabschnitt A der beiden Diagramme ist zwischen den Anschlüssen 7 und 8 der Ladeanordnung keine Batterie angeschlossen, so daß der Ladestromweg 2 an dieser Stelle offen ist. Ober den Ladeerhaltungszwcig 9 gelangt nahezu die volle Gleichspannung U-. der den Ladestromweg speisenden Gleichspannungsquelle 3 an den Anschluß 7. Diese Spannung ist wesentlich höher als der Spannungsschwellwert U_, des Schwell-

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wertschalters 17, der deshalb an seinem Ausgang 21 ein Signal erzeugt, das den Schalter 19 im Verkürzungszweig schließt und dem Basiszweig 11 des Spannungsteilers 11/12 den Widerstand 20 des VerkUrzungszweiges parallelschaltet. Der Widerstand 20 des Verkürzungszweiges ist so bemessen, daß trotz der hohen, am Spannungsteiler liegenden Spannung U_. die Spannung U.. am Abgriff 13 des Spannungsteilers kleiner ist als der untere Spannungsschwellwert U₃₃ der Schwellwertanordnung 15. Die Schwellwertanordnung erzeugt dadurch an ihrem Ausgang 16 ein Signal, das den Längstransistor 4 im Ladestromweg leitend steuert.

Im Zeitpunkt t. wird an die Anschlüsse 7 und 8 eine teilweise entladene wiederaufladbare Batterie 1 angeschlossen. Der daran anschließende Zeitabschnitt B ist stark gedehnt dar gestellt. Die Spannung U₇ am Anschluß 7 fällt entsprechend der Entladezeitkonstante des Ladestromweges 2 auf die Spannung der Batterie 1 im Ladestromweg ab, die zwischen der Tiefentladespannung U^ und der maximal zulässigen Spannung ü_ an der Batterie beider Schneiladung liegt, und sinkt gleich zeitig unter den Schwellwert U₅₃ des Schwellwertschalters 17, dessen Ausgangssignal dadurch wegfällt. Die Schaltverzögerungsanordnung 18 verzögert den Abfall dieses Signals für den Schalter 19 um eine Verzögerungszeit t^, die größer ist als die Zeit t-, in der die Batteriespannung auf einen Wert un terhalb des maximal für die Schneiladung zulässigen Wertes

U_n ,„ der Spannung der Batterie absinkt, der beispielsweise

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zum Zeitpunkt t_ unterschritten wird. Nach der Verzögerungszeit t schaltet sich der Verkürzungszweig vom Basiszweig des Spannungsteilers ab, so daß der Spannungsteiler 11/12 allein wirksam ist.

Im Zeitabschnitt C erfolgt die Schneiladung der Batterie 1. Die beiden Spannungskurven U- und U.. verlaufen zueinander proportional. Der Abgriff des Spannungsteilers 11/12 ist mittels des einstellbaren Teilerzweiges 12 so eingestellt,

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daß die Spannung am Abgriff 13 den oberen Schwellwert Ug. der Schwellwertanordnung 15 erreicht, wenn die Spannung der Batterie den für die Schneiladung maximalen Soannungswert U erreicht. In diesem Zeitpunkt t. kippt die Schwellwertanordnung in einen Zustand, in dem sie bis zum Unterschreiten des unteren Schwellwertes υ_ς2 verharrt und in dem sie ein den Längstransistor 4 sperrendes Ausgangssignal erzeugt. Von nun an (Zeitabschnitt D) fließt über den Ladeerhaltungszweig 9 ein Ladeerhaltungsstrom, der mittels des Widerstands 10 so bemessen ist, daß er die Verluste der Batterie durch Selbstentladung ersetzt.

Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Ladeanordnung für wiederaufladbare Batterien, das im wesentlichen dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel entspricht und sich entsprechende Schaltungselemente mit den gleichlautenden Bezugszeichen gekennzeichnet sind, ist die Schwellwertanordnung 15, der Schwellwertschalter 17 mit der Schaltverzögerungsanordnung 18 und der Schalter des Verkürzungszweiges näher ausgeführt. Die Schwellwertanordnung enthält einen als Komparator 22 ausgebildeten Operationsverstärker, dessen einer Eingang als tiberwachungseingang 14 mit dem Abgriff des Spannungsteilers 11/12 verbunden ist - während an dessen anderen Eingang 23 eine Referenzgleichspannung squel Ie 24 angeschlossen ist. Die beiden eine Hysteresis bildenden Schwellwerte U . und U_₂ des Komparators werden mittels der Referenzspannungsauelle 24 und der beiden Gegenkopplungswiderstände 25 und 26 erzeugt.

Der Schwellwertschalter 17 zur Überwachung der Spannung U-ist eine Zenerdiode 27, an deren Begrenzungswiderstand 28 das Ausgangssignal für die anschließende Schaltungsverzögerungsanordnung 18 entsteht. Diese enthält einen Speicherkondensator 29, der über einen Ladewiderstand 30 an den Ausgang der Schaltverzögerungsanordnung 18 und über einen Entladewiderstand 31 an die Basis des als Transistor 32 ausgebilde-

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ten Schalters 20 des Verkürzungszweiges angeschlossen ist. Die Zenerspannung der Zenerdiode 27 stellt den Schwellwert Ug₃ dar und ist größer als die bei der Schnelladung maximal zulässige Spannung U_ der Batterie.

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Claims

GRAETZ GMBH A CO OHG ? 7 ^ ? R Q A

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Patentansprüche

1. !schaltungsanordnung zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie mit einer den Ladestromweg speisenden Gleichspannungsquelle, einem im Ladestromweg angeordneten Widerstand zur Begrenzung des Ladestromes und einem ebenfalls im Ladestromweg angeordneten steuerbaren Längstransistor, ferner mit einem parallel zur Batterie angeordneten, aus einem einstellbaren Teilerzweig und einem Basiszweig bestehenden Spannungsteiler und mit einer Schwellwertanordnung, die mit einem Uberwachungseingang an den Abgriff des Spannungsteilers angeschlossen ist und von der Spannung an diesem Abgriff gesteuert wird und die ihrerseits den Längstransistor sperrt, wenn die Spannung am Abgriff einen oberen Schwellwert der Schwellwertanordnung überschreitet, und den Längstransistor leitend steuert, wenn die Spannung am Abgriff einen unteren Schwellwert unterschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß erstens der untere Schwellwert (U„) einer Spannung der angeschlossenen Batterie (1) entspricht, die im Bereich der Tiefentladespannung (U-.-) der Batterie oder darunter liegt, daß

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zweitens dem Längstransistor (4) ein ohmscher Ladeerhaltungszweig (9) parallel geschaltet ist, daß drittens dem Basiszweig (11) des Spannungsteilers (11,12) ein Verkürzungszweig parallel geschaltet ist, der aus einem Widerstand (20) und einem Schalter (19) besteht und dessen Widerstand gegenüber dem Teilerzweig (12) des Spannungsteilers so bemessen ist, daß sich im leitenden Zustand des Schalters (19) am Abgriff (13) des Spannungsteilers eine Spannung (U₁₃] einstellt, die stets kleiner ist als der untere Schwellwert (U₅₂) der Schwellwertanordnung (15), auch wenn sich im Ladestromweg (2) keine Batterie befindet, daß viertens parallel dem von der Batterie gebildeten Teil des Ladestromweges ein zweiter Schwellwertschalter (17) angeordnet ist, dessen Schwellwertspannung (U₃₃ ) größer als die Batteriespannung (U_n ) ist, bei der der Längstransistor von der

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diesen steuernden Schwellwertanordnung (15) gesperrt wird, und daß fünftens zwischen den Eteuerausgang (21) des zweiten Schwellwertschalters (17) und den Steuereingang des Schalters acs VerkLirzungszweiges eine Schaltverzögerungsanordnung (18) eingefügt ist, deren Abschaltverzögerung (t_y) größer ist als die Abklingzeit (t_A) der Spannung (U₇) am Spannungsteiler (11/12) unmittelbar nach dem Einfügen der Batterie in den Ladestromweg.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-· net, daß der Schalter (19) im Verkürzungszweig ein Transistor (32) ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daB der zweite Schwellwertschalter (17) eine strombegrenzte Zenerdiode (27) ist.

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltverzögerungsanordnung (18) ein Kondensator (29) mit einem Ladewiderstand (3O) und einem Entladewiderstand (31) ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertanordnung (15) ein Schmitt-Trigger mit einer groß eingestellten Hysteresis ist.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertanordnung (15) ein Komparator (22) ist mit einer Gegenkopplungsanordnung (25,26), die so bemessen ist, daß der Komparator eine große Hysteresis aufweist.

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