DE2733594C3

DE2733594C3 - Schaltungsanordnung zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie

Info

Publication number: DE2733594C3
Application number: DE2733594A
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: 1981-01-08
Also published as: FI67000C; FI782329A; FR2399149A1; DE2733594A1; FI67000B; DE2733594B2; CH633134A5; FR2399149B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung einer im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist beispielsweise aus der DE-OS 2524790 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 wiederaufladbarer 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 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 Gegensteckervorrichtung einer Ladeeinrichtung einzusetzen.

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 Schnelladung hohe Anforderungen bezüglich der Einhaltung maximaler Ladewerte gestellt. Diese hohen Anforderungen können nur mit automatischen Ladeüberwachungsschaltungen in den Schaltungsanordnungen zur Ladung wiederaufladharer Batterien erfüllt werden.

Bei der aus der DE-OS 2425 790 bekannten Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art zur Ladung einer wiederaufladbaren Batterie liegt im Ladestromweg ein den Ladestrom begrenzender Widerstand, ein schaltbarer Längstransistor, dem als Ladeerhaltungszweig ein Widerstand parallel geschaltet ist, und eine in Flußrichtung gepolte Diode. An den Abgriff eines parallel zur Serienschaltung aus dieser Diode und der Batterie liegenden Spannungsteilers 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 Längstransist.or. Dieser wird jedoch erst wieder leitend geschaltet, wenn am Abgriff des Spannungsteilers ein unterer Schwellwert der Schweilwertanordnung unterschritten wird. Dadurch erhält eine nur

teilweise entladene wiederaufladbare Batterie, die an diese bekannte Ladeanordnung zum Wiederaufladen angeschlossen wird, normalerweise keinen hohen Aufladestrom und bleibt weiterhin in nur teilweise geladenem Zustand.

Dieser Nachteil beim Anschließen einer nicht unter den unteren Schwellwert der Schwellwertanordnung einer Batterieladeanordnung entladenen Batterie wird bei einer aus der DE-AS 2255894 bekannten Schaltungsanordnung zum Laden wiederaufladbarer Batterien dadurch vermieden, daß einerseits dem Ladestromweg nicht auch noch ein Ladeerhaltungszweig parallel geschaltet ist und daß andererseits dem Spannungsteiler ein Kondensator parallel geschaltet ist, der sich im nichtladenden Zustand der bekannten Schaltungsanordnung über den Spannungsteiler entlädt, bis an diesem der untere Schwellwert der Schwellwertanordnung unterschritten ist, wodurch der Längstransistor im Ladestromweg der bekannten Schaltungsanordnung wieder leitend geschalte: wird. Nach der ersten Volladung erhält die Batterie somit fortwährend Nachladestromstöße zur Erhaltung ihrer Volladung. Bei sehr großen Schnelladeströmen, die wesentlich über dem normalen Ladestrom, z. B. wesentlich über dem zehnstündigen Entladestrom liegen, ist 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 wiederaufladbare' Batterien der eingangs genannten Art anzugeben, die auch für die Aufladung empfindlicher, eine hohe Ladekapazität aufweisender Batterien (z. B. Nickel-Cadmium-Batterien) mit sehr hohen Ladeströmen, bis in die Größenordnung eines einstündigen Entladestromes geeignet ist, die ferner gewährleistet, daß jede an die Schaltungsanordnung angeschlossene wiederaufladbare Batterie nach dem Anschließen mit dem hohen Ladestrom aufgeladen wird, und die anschließend an die Schnelladung eine fortwährende, für die Batterie unschädliche Ladeerhaltung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung bei einer Schaltungsanordnung der eingangs angegebenen Art durch die im Kennzeichen des Arspruches 1 angegebenen technischen Merkmale gelöst.

Aus der US-PS 3553561 ist zwar eine Schaltungsanordnung zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie bekannt, in der einem Thyristor im Ladestrom weg der Anordnung ein Ladeerhaltungszweig parallel geschaltet ist und die im Basiszweig des der Batterie parallelliegenden Spannungsteilers eine Verkürzungsschaltung enthält, bei der einem Widerstand des Spannungsteilers ein Transistor als Schalter parallel geschaltet ist. Die Schaltungsanordnung lädt jedcch die wiederaufladbare Batterie mit halbwellenförmigen Stromstößen, was die Dauer des Ladevorganges erhöht. Die Verkürzungsschaltung wird vom Ausgang des aus einer Zenerdiode und einem zweiten Thyristor gebildeten Schwellwertschalters der bekannten An= Ordnung gesteuert, um so über den Spannungsteiler die beiden erforderlichen Schwellwerte des Schwellwertschalters hervorzurufen.

Mit den Maßnahmen der Erfindung wird in vorteilhafter Weise insbesondere erreicht, daß jede in das Ladegerät eingesetzte Batterie zunächst äh einen einmaligen Schneliadcvorgailg angeschlossen wird. Der Schnelladestrom kann unabhängig von einem zulässiger. Nachladestrom oder LadeerhaUungsstrom 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 ίο 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 entspreche.;..! große Hysteresis eingestellt ist.

Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung zum Laden wiederau riadbarer Batterien in einer schematischen Blockdarstellung,

Fig. 2 zwei Spannungsdiagramme zur in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung,

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

Die in Fig. 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 Lddestromweg. 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 ans einem Widerstand-11 und dessen Teilerzweig aus einem einstellbaren Widerstand 12 besteht. An den Abgriff 13 des Spannungsteilers ist der Überwachungseingang 14 einer Schwellwertannrdnung 15 mit einem oberen Schwellwert U_SI und einem unteren Schwellwert U_S2 für die überwachte Spannung angeschlossen. Der Ausgang 16 der Schwellwertanordnung ist mit dem Steuereingang der den Längsstransistor enthaltenden Tra-.iistoranordnung verbunden. Dem Spannungsteiler 11/12 liegt ein Schwellwertschalter 17 parallel, der über eine Schai.Verzogerungsanordnung 18 einen Schalter 19 in einem parallel zum Basiszweig 11 des Spannungsteilers liegenden Verkürzungszweig steuert. Neben dem Schalter 19 enthält der Verkürzungszweig einen Wiuerstand 20.

Die Wirkunpweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltungsanordnung wird anhand der Diagramme a und b der Fig. 2 erläutert. Im Diagramm α ist die Spannung U₁₃ am Abgriff 13 des Spannungsteilers 11/12 in verschiedenen Betriebszuständen der Schaltungsanordnung dargestellt, im Diagramm b die zugehörige Spannung t/_? am Anschluß 7 im Ladestromweg 2. Im Zeitabschnitt A der beiden Diagramme ist zwischen den Anschlüssen 7 und 8 der Ladeanord-

nung keine Batterie angeschlossen, so daß der Ladestromweg 2 an dieser Stelle offen ist. Über den Ladeerhaltungszweig 9 gelangt nahezu die volle Gleichspannung U₀ der den Ladestromweg speisenden Gleichspannungsquelle 3 an den Anschiuß 7. Diese Spannung ist wesentlich höher als der Spannungsschwellwert U_SJ des Schwellwertschalters 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 Verkürzungszweiges parallelschaltet. Der Widerstand 20 des Verkürzungszweiges ist so bemessen, daß trotz der hohen, am Spannungsteiler liegenden Spannung U_n die Spannung IZ₁, am Abgriff 13 des Spannungsteilers kleiner ist als der untere Spannungsschwellwert U₅₂ der Schwellwertanordnung 15. Die Schwellwertanordnung erzeugt dadurch an ihrem Ausgang 16 ein Signal, das den Lsp.gstrattsäster 4 im Ladestrornvvcg icitcnd steuert. Im Zeitpunkt /, wird an die Anschlüsse 7 und 8 eine teilweise entladene wiederaufladbare Batterie 1 angeschlossen. Der daran anschließende Zeitabschnitt B ist stark gedehnt dargestellt. Die Spannung t/,am Anschiuß 7 fällt entsprechend der Entladezeitkonstante des Ladestromweges 2 auf die Spannung der Batterie 1 im Ladestromweg ab, die zwischen der Tiefentladespannung U_BT und der maximal zulässigen Spannung U_Bma an der Batterie bei der Schneiladung liegt, und sinkt gleichzeitig unter den Schwellwert U_% ₃ des Schwellwertschalters 17. dessen Ausgangssignal dadurch wegfällt. Die Schaltverzögerungsanordnung

18 verzögert den Abfall dieses Signals für den Schalter

19 um eine Verzögerungszeit t_v, die größer ist als die Zeit t_A, in der die Batteriespannung auf einen Wert unterhalb der maximal für die Schnelladung zulässigen Wertes U_B der Spannung der Batterie absinkt, der beispielsweise zum Zeitpunkt t₂ unterschritten wird. Nach der Verzögerungszeit t_v schaltet sich der Verkürzungszweig vom Basiszweig 11 des Spannungsteilers ab. so daß der Spannungsteiler 11/12 allein wirksam ist.

Im Zeitabschnitt C erfolgt die Schnelladung der Batterie 1. Die beiden Spannungskurven U₁ und U_n verlaufen zueinander proportional. Der Abgriff des Spannungsteilers 11/12 ist mittels des einstellbaren Teilerzweiges 12 so eingestellt, daß die Spannung am Abgriff 13 den oberen Schwellwert U_SI der Schwellwertanordnung 15 erreicht, wenn die Spannung der Batterie den für die Schnelladung maximalen Spannungswert U_Bma erreicht. In diesem Zeitpunkt f ₄ kippt die Schwellwertanordnung in einen Zustand, in dem sie bis zum Unterschreiten des unteren Schwellwertes L/_{s 2} 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 Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Ladeanordnung für wiederaufladbare Batterien, das im wesentlichen dem in Fi g. 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 Schatter des > Verkürzungszweiges näher ausgeführt, Die Schwellwertanordnung enthält einen als Komparator 22 ausgebildeten Operationsverstärker, dessen einer Eingang als Überwachungseingang 14 mit dem Abgriff des Spannungsteilers 11/12 verbünden ist, während an dessen anderen Eingang 23 eine Referenzgleichspannungsquelle 24 angeschlossen ist. Die beiden eine Hysteresis bildenden Schwellwerte U_Si und U_S2 des Komparators werden mittels der Referenzspannungsquelle 24 und der beiden Gegenkopplungswiderstände 25 und 26 erzeugt.

Der Schwellwertschalter 17 zur Überwachung der Spannung U₁ ist eine Zenerdiode 27, an deren Begrenzungswiderstand 28 das Ausgangssigna), für die

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UIULlIIIViULIIUW xJLIItlllUllgarUlZ.UgmUllg3ailUIU{IUIIg XO

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 ausgebildeten Schalters 20 des Vefkürzungszweiges angeschlossen ist. Die Zenerspannung der Zenerdiode 27 stellt den Schwellwert U_S3 dar und ist größer als die bei der Schnelladung maximal zulässige Spannuf ^ U_Bma2C der Batterie.

Verwendete Bezugszeichen

1 Batterie

2 Ladestromweg

3 Gleichspannungsquelle

4 Längstransistor

5 Transistoranordnung

6 Widerstand

7 Anschluß

8 Anschiuß

9 Ladeerhaltungszweig
10 Widerstand

11 Widerstand

12 Widerstand

13 Abgriff

14 Überwachungseingang
15 Schwellwertanordnung

16 Ausgang

17 Schwellwertschalter

18 Schaltverzögerungsanordnung

19 Schalter

so 20 Widerstand

21 Ausgang

22 Komparator

23 Eingang

24 Referenzgleichspannungsquelle
25 Widerstand

26 Widerstand

27 Zenerdiode

28 Widerstand

29 Kondensator
30 Widerstand

31 Widerstand

32 Transistor

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

δι jo oy* δι 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, dem ein ohmscher Ladeerhaltungs- >° zweig parallel geschaltet ist, ferner mit einem parallel zur Batterie angeordneten, aus einem einstellbaren Teilerzweig und einem Basiszweig bestehenden Spannungsteiler und mit einer Schwellwertanordnung, die mit einem Überwa- is chungseingang an den Abgriff des Spannungsteilers angeschlossen ist und von der Spannung an diesem Abgriff gesteuert wird und die ihrerseits den Läng=transistor sperrt, wenn die Spannung am Abgriff einen oberen Schwellwert der Schwell-Wertanordnung überschreitet, und den Längstransistor leitend steuert, wenn die Spannung am Abgriff einen unteren Schwellwert unterschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß erstens 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 Adgriff (13) des Spannungsteilers eine Spannung (t'_I3) eiiv.tellt, Ce stets kleiner ist als der untere Schwellwert (i/_S2) ^^er Schwellwertanordnung (15), auch wenn sir", im Ladestromweg (2) keine Batterie befindet, daß zweitens parallel J5 dem von der Batterie gebildeten Teil des Ladestromweges ein zweiter Schwellwertschalter (17) angeordnet ist, dessen Schwellwertspannung (U_s ,) größer als die Batteriespannung (U_Bmax ) ist, bei der der Längstransistor von der diesen steuernden Schwellwertanordnung (15) gesperrt wird, und daß drittens zwischen den Steuerausgang (21) lies zweiten Schwellwertschalters (17) und den Steuereingang des Schalters des Verkürzungszweiges eine Schalterverzögerungsanordnung (18) eingefügt ist, deren Abschaltverzögerung (t_v) größer ist als die Abklingzeit (Z₄) der Spannung (U₁) am Spannungsteiler (111, 12) unmittelbar nach dem Einfügen der Batterie in den Ladestromweg.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da- >o durch gekennzeichnet, daß der Schalter (19) im Verkürzungszweig ein Transistor (32) ist.

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

4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltverzögerungsanordnung (18) ein Kondensator (29) mit einem Ladewiderstand m (30) und einem Entladewiderstand (31) ist.

5. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweilwertanordnung (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.