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Steuervorrichtung zum Laden von in Reihe ge-
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schalteten elektrischen Batterien~ Die Erfindung betrifft eine Steuervorrichtung
zum Laden von in Reihe geschalteten elektrischen Batterien.
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Bei vielen elektrischen Systemen werden Batterien verwendet, die in
Reihe geschaltet sind, um zwei Spannung Ausgänge zu schaffen. Dies ist beispielsweise
bei durch Diesel-Motoren angetriebene Fahrzeuge, Schiffsantriebe und andere Antriebe
der walz, die eine 24-Volt-Spannun oder eine hnhere verwenden, um die Antriebsmaschineii
und dgl. zu starten, sie benötigen aber nur 12-Volt für die übrigen elektrischen
Komponenten.
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Bei diesen Systemen stellt sich das Problem, für Jede Batterie eine
angemessene Aufladung zu schaffen, da sie verschiedene Ladungsmengen benötigen.
Beispielsweise wird die Batterie mit dem höheren Spannungsausgang zum Starten der
Antriebsmaschine im allgemeinen viel weniger verwendet als die andere, und daher
sind nur wenige Lade-Minuten erforderlich, um den Verlust zu ersetzen. Die Batterie
mit dem niedrigeren Spannungsausgang wird gleichfalls zum Starten der Antriebsmaschine.verwendet,
aber sie muß den zusätzlichen Aufwand für das übrige elektrische System decken,
und sie benötigt daher eine größere Lademenge.
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Wenn auf diese Weise zum Beispiel eine geregelte 24-Volt-Ladung von
einem Wechselstromgenerator auf die positive Klemme einer Hochspannungsausgangsbatterie
gegeben wird, wird diese noch vor der Niedrig-Spannungsausgangsbatterie aufgeladen.
Aber die Spannungsreguliervorrichtung sieht nur den Spannungsabfall parallel zu
der reihengeschalteten Batterie und ermöglicht es daher dem Wechselstromgenerator,
die Aufladung weiter fortzuführen, bis diese Spannung gesättigt ist. Als Ergebnis
hiervon wird die Hochspannungsbatterie überladen, und die Niedrig-Spannungsausgangsbatterie
wird unterladen, wodurch eine vorzeitige Beschädigung beider Batterien verursacht
wird.
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Daher hat es nicht an Anstrengungen gefehlt, eine ordnungsgemäße Aufladung
einer Jeden Batterie bei einem Doppel-Batteriesystem zu erreichen. Beispielsweise
hat man Schaltungen vorgesehen, um die Batterien in Reihe zu schalten, um Antriebsmaschinen
anzuwerfen, usw., rund um die Batterien parallel zu einander aufzuladen. Aber der
durch den Schalter bedingte zusätzliche elektrische Widerstand führt dazu, daß der
Hochspannungsbatterieausgang in einem unterladenen Zustand gehalten wird. Auch die
Verwendung von zwei Wechseistromgeneratoren mit dem Versuch, die Belastungen auszugleichen,
hat sich als unannehmbar herausgestellt.
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Besondere Wechselstromgeneratoren mit aufwendigen Schaltungen und
physikalischem Aufwand haben sich als unwirtschaftlich und nicht praktikabel herausgestellt.
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In ähnlicher Weise haben sich Versuche als unbefriedigend erwiesen,
die Batterieladungsprobleme dadurch zu umgehen, daß man 12-Volt Starter-Systeme
mit einer hohen Stromstärke verwendet hat, oder indem man gleichgerichtete 24 Volt
Systeme zum Aufladen und für alle anderen Bestandteile des elektrischen Systems
benutzt hat.
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Zur Lösung der erwähnten Aufgabe ist gemäß dem allgemeinen Erfindungsgedanken
vorgesehen, die Steuervorrichtung der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß
der Spannungsabfall über die Batterie, die den höheren Spannungsausgang aufweist,
auf einem bestimmten Wert Verwendung findet, um den Ladestrom von den in Reihe geschalteten
Batterien nur auf die Batterie zu schalten, die den niedrigen Spannungsausgang aufweist.
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Auf diese Weise wird das Hauptziel der Erfindung erreicht, nämlich,
die oben erwähnten Schwierigkeiten und Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, eine Steuervorrichtung
für ein Doppelladesystem zu schaffen, das mit herkömmlichen Generatoren und Wechselstromgeneratoren
ebenso wie mit herkömmlichen Spannungsreglern betrieben werden kann.
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Ein darüber hinausgehendes Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung
einer Steuervorrichtung zum Laden einer Doppelbatterie, die automatisch arbeitet,
um ein angemessenes Aufladen einer Jeden Batterie in einem Doppelbatteriesystem
zu erreichen.
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Noch ein Ziel der Erfindung wird in der Schaffung einer Steuervorrichtung
für die Aufladung einer Doppelbatterie gesehen, die eine vereinfachte Konstruktion
zur wirtschaftlichen Fertigung aufweist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der
nun folgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele unter Hinweis auf die Zeichnung.
In dieser zeigen:
Fig. 1 ein elektrisches Schaltschema mit der
Darstellung von in Reihe geschalteten Batterien und einem herkömmlichen Wechselstromgenerator,
bei dem eine Steuervorrichtung zur Aufladung einer Doppelbatterie Merkmale dieser
Erfindung beinhaltet; Fig. 2 einen Ausschnitt aus einem elektrischen Schaltschema
mit der Darstellung einer Abwandlung der Steuervorrichtung nach Fig. 1, um die Anpassung
zur Verwendung eines herkömmlichen Spannungsreglers zu ermöglichen; Fig. 3 und 4
ein teilweise elektrisches Schaltschema mit der Darstellung einer abgewandelten
Ausführungsform eines herkömmlichen Spannungsreglerkreises und Wechselstromverbindungen
zu der Batterie sowie ein Wechselstromgeneratorsystem im Zusammenhang mit der Steuervorrichtung
zum Aufladen nach der Erfindung.
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In Fig. 1 sieht man zwei Batterien 10 und 12 in Reihe geschaltet,
Die negative Klemme der Batterie 10 ist mit der Erde verbunden, die positive Klemme
dieser Batterie und die negative Klemme der Batterie 12 sind in einem gemeinsamen
Punkt 14 zusammengeschaltet. Ein elektrischer Leiter 16 erstreckt sich von dieser
Verbindung zur Versorgung eines elektrischen Systems mit der Niedrig-Voltausgangsbatterie
10. Die positive Klemme der anderen Batterie 12 ist mit dem elektrischen Leiter
18 verbunden, der einen Startermotor oder eine andere Last mit dem Hochspannungsausgang
speist, der durch in Reihe geschaltete Batterien vogesehen ist. Auf diese Weise
führt der Leiter 16 12-Volt zu einem elektrischen System, wenn beispielsweise
an
Jeder Batterie ein 12-Volt-Ausgang vorgesehen ist, während der Leiter 18 24-Volt
an einen Starter-Motor oder eine andere elektrische Last anlegt, Fig. 1 zeigt darüber
hinaus einen herkömmlichen Wechselstromgenerator 20, der durch ein Fahrzeug oder
eine andere Antriebsvorrichtung mechanisch erregt wird, beispielsweise über eine
hiermit gekuppelte Riemenscheibe mit einem Antriebsriemen, die dem Fachmann verständlich
ist.
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Es ist vorteilhaft, daß der Wechselstromgenerator durch einen herkömmlichen
Generator ersetzt werden kann. Der dargestellte Wechselstromgenerator ist mit einer
Massen-Klemme 22 zur Verbindung mit Erde allgemein vorgesehen; eine stromführende
Klemme 24 ist zur Weiterleitung des Ladestromes zu den Batterien vorhanden, und
eine Feld-Klemme 26 ist für die stromleitende Verbindung zu einem Spannungsregler
28 vorgesehen.
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Der dargestellte Spannungsregler ist von herkömmlicher Bauart und
weist einen Transistor 30 auf, der normalerweise eingeschaltet ist, sowie den Transistor
32, der normalerweise abgeschaltet ist, ferner die Transistoren 34,.36 und 38, die
ungesteuerte Diode 40, die Zehner-Diode 42 und die spannungsgleichrichtenden Widerstände
44, 116 und 4P. Der Spannungsregler ist mit einer Massenklemme 50 zur Verbindung
mit der allgemeinen Erde vorgesehen; eine Feldspannungsendklemme 52 für die Verbindung
zu den Feld-Windungen des Wechselstromgenerators; eine Stromeingangaklemme 54; und
eine Fühlersignaleingangsklemme 56 zur Verbindung mit einem auswärtig auf genommenen
Signal,
In der Regel ist eine Fühlersignaiklemme 56 herkömmlicher
Art und eine entsprechende Regleranordnung für die Außenverbindung nicht verfügbar.
Daher kannen der Ladesteuerkreis und der Spannungsreglerkrels nach Fig. 1 als eine
integrale Einheit gefertigt werden.
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Die Stromausgangsklemme 24 des Wechselstromgenerators ist mit der
positiven Klemme der Batterie 12 Uber eine nicht gesteuerte Diode 58 verbunden.
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Diese Diode arbeitet, sobald eine vorbestimmte Spannung erreicht ist
auf die Ausgangsklemme 24, um den Ladestrom zu der positiven Klemme der Batterie
12 zu leiten, und auf diese Weise durch die Batterie 1o zu dem gemeinsamen Verbindungspunkt
14, und somit durch die Batterie 10 zu der gemeinsamen Erde.
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Gemäß der Erfindung ist diese Einrichtung vorgesehen, um die Ausgangsklemme
24 des Wechselstromgenerators an die gemeinsame Verbindung 14 zu schaltern, sobald
ein bestimmter Spannungsabfall Uber die Batterie 12 vorliegt, wodurch ein höherer
Spannunesausgang geschaffen wird, durch den der Ladestrom nur durch die Batterie
10 geleitet wird, die die Spannung mit dem niedrigen Ausgang vorsieht. Gemäß dem
allgemeinen Erfindungsgedanken wird dies durch eine elektrisch betätigte Schaltvorrichtung
geschaffen, die den Ausgang der erzeugenden Vorrichtung an den erwähnten gegemeinsamen
Verbindungspunkt entfernbar schaltet, und zwar durch eine elektrisch betätigte Schaltvorrichtung,
die parallel zu der Batterie liegt, welche den höheren Spannungsausgang führt, und
die in Abhängigkeit von einem bestimmten Spannungsabfall parallel zu der Batterie
arbeitet, um die Schaltvorrichtung zu erregen, damit der Ausgang
der
erzeugenden Vorrichtung parallel nur mit der Batterie verbunden wird, die den niedrigen
Spannungsausgang aufweist.
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Bei der besonderen Ausführungsform nach Fig. 1 ist die elektrisch
betätigte Schalt vorrichtung durch einen silikon-gesteuerten Gleichrichter 60 gebildet,
der die Stromausgangsklemme 24 des Wechselstromgenerators mit der gemeinsamen Klemme
14 zwischen den Batterien in Verbindung bringt. Der silikon-gesteuerte gleichrlchter
ist in der Regel abgeschaltet; und somit ist die Schaltvorrichtung Im Normalzustand
offen.
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Die elektrische Schalterbetätigungsvorrichtung zum Einschalten des
silikon-gesteuerten Cleichrichters 60 zeigt die spannungsaufnehmenden WiderstSnde
62, 64 und 66, die Zener-Diode 68, den Transistor 70, der im Normalfall abgeschaltet
ist und den Widerstand 72, der den Transistor-Kollektor mit dem Tor des silikon-gesteuerten
leichrichters 60 verbindet.
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Die Lade-Steuervorrichtung nach der Erfindung kann darüber hinaus
eine zweite elektrisch betätigte Schaltvorrichtung auRwelsen, um den silikon-gesteuerten
Gleichrichter 60 abzuschalten (indem die Schaltvorrichtung in ihre normal offene
Lage zurückgedreht wird). In Fig. 1 zeigt die Abschaltsteuerung den Transistor 74,
der normal abgeschaltet ist, den Widerstand 76, der den Transistor-Kollektor mit
der Fühlersignalklemme 56 des Spannungsreglers verbindet und die Widerstände 78,
8o und 82, die durch eine Parallelschaltung der Batterien 1o und 12 ein Brücken-Netz
bildet.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung nach Fig.
1 ist wie folgt: Wenn der Wechselstromgenerator 20 durch eine Antriebsmaschine mechanisch
angetrieben ist, erzeugt der normal leitende Transistor 30 des Spannungsreglers
einen Strom durch die Klemmen 52 und 56 zu den Wechselfeldern, wodurch ein Ladestrom
an der Wechselstromausgangsklemme 24 erzeugt wird. Da der silikon-gesteuerte Oleichrichter
60 nichtleitend ist, kann der Ladestrom von der Ausgang quelle nicht durch den gemeinsamen
Verbindungspunkt 14 gelangen. Demgemäß steigt die Spannung weiter an der Außgangsklemme
bis die Diode 58 leitet. Daraufhin wird der Ladestrom durch die parallel geschalteten
Batterien 12 und lo zu der gemeinsamen Erde geleitet. Beide Batterien werden nun
geladen.
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Wenn bei der normalen Wirkungsweise des Spannungsreglers die Spannung
parallel zu der Batterie 10 mit dem niedrigen Spannungsausgang einen vorbestimmten
Wert erreicht, sobald dieser durch die die Spannung regelnden Widerstände 44, 46
und 48 festgestellt wurde, zündet die Zener-Diode 42, wodurch der normal abgeschaltete
Transistor 32 leitend wird. Auf diese Weise wird der normal eingeschaltete Transistro
3o abgeschaltet, wodurch die Wechsel felder geschwächt werden und die Ausgangsspannung
abfällt. Wenn die Spannung quer zu der Batterie 1o mit dem niedrigen Spannungsausgang
ein wenig abfällt, leitet die Zener-Diode 42 nicht mehr, wodurch der Transistor
32 abgeschaltet und der Transistor 30 eingeschaltet wird, wodurch die Möglichkeit
besteht, die Ausgangswechselspannung zu steuern.
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Wenn die Spannung quer zur Batterie 12 eine vorbestimmte höhere Ausgangsspannung
erreicht hat die durch die Widerstände 62 und 66 festgestellt wird, wird die Zener-Diode
68 gezündet und der Transistor 70 wird eingeschaltet. Die Erregung dieses Transistors
bewirkt eine Erregung des silikon-gesteuerten Gleichrichters 60. Der Ladestrom wird
daher von der Ausgangsklemme 24 des Wechselstromgenerators zu dem gemeinsamen Verbindungspunkt
14 geleitet. Da die Spannung an der Ausgangsklemme 24 auf einen bestimmten Wert
unter dem an der positiven Klemme der Batterie 12 abfällt, leitet die Diode 58 nicht
mehr.
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Der Ladestrom durch die Batterie 12 mit der höheren Ausgangsspannung
wird somit gestoppt. Daher wird der Ladestrom von der Ausgangsklemme 24 durch den
erregten eilikon-gesteuerten leichricheer 60 zum Verbindungspunkt 14 geleitet, so
daß die Aufladung der Batterie lo mit dem niedrigen Spannungsausgang fortgesetzt
wird. Dies geschieht, weil, obschon die Spannung an der Basis des Transistors 70
abfällt, um diese abzuschalten wodurch das Steuarsignal von dem Tor des silikon-gesteuerten
Gleichrichters 60 entfernt wird, der letztere Gleichstrom leitet und daher in seinem
erregten Zustand verbleibt.
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Wenn die Spannung an der Ausgangsklemme 24 des Wechselstromgenerators
auf einen bestimmten Wert gegenüber dem gemeinsamen Verbindungspunkt 14 abfällt,
fließt kein Strom mehr.
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Wenn die Spannung quer leber die Batterie 12 mit dem höheren Spannungsausgang
abfällt (die Spannung quer zur Batterie 1o mit der Niedrigspannung verbleibt in
dem Regelkreis), dann wird die Basis des Transistors 74 bis auf einen bestimmten
Wert gegenüber dem gemeinsamen
Verbindungspunkt 14 negativ, wie
dies durch die Brücke bestimmt wird, und der Transistor 74 wird erregt.
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Auf diese Weise wird wiederum die Zener-Diode 42 gezündet, wodurch
der Transistor 32 erregt wird und der Transistor 30 seine Erregung verliert. Der
Wechselstromausgang wird gestoppt, wodurch der silikon-gesteuerte cleichrichter
60 nicht mehr erregt wird.
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Wenn die Spannung quer zur Batterie 10 mit der Niedrigspannung beginnt
abzufallen, wird die Basis des Transistors 74 gegenüber dem gemeinsamen Verbindungspunkt
14 mehr positiv, wodurch der Transistor 74 abgeschaltet wird, Dafür Ubernimmt der
Spannungsregler die Steuerung, und die Spannung an der Ausgangsklemme 24 des Wechselstromgenerators
steigt an, bis die Diode 58 leitet, woraufhin erneut die Reihenschaltung durch die
Batterien 1o und 12 wiederhergestellt wird.
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Es soll klargestellt werden, daß die Abschaltungsateuerung für den
silikon-gesteuerten Gleichrichter bei einigen Anwendungsfällen weggelassen werden
kann, z.B., wenn die Batterie mit der höheren Spannung nur verwendet wird, um eine
Antriebsmaschine zu starten und die Aufladung nicht benötigt wird, nachdem die Maschine
6gestartet ist. Bei diesen Anwendungsfällen wird der silikon-gesteuerte Gleichrichter
einfach durch Stillegen der Antriebsmaschine abgeschaltet.
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Fig. 2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der abgeschalteten
Steuerung für den silikon-gesteuerten Cleichrichter, die sich an die Verwendung
eines üblichen Spannungsreglers 28' anpasst und daher weniger einen Spannungsregler
in der Ladesteuerung nach Fig. 1 umfaßt. Zu diesem Zweck wird ein Transistor ß4
zwischen den Kollektor des Transistors 74 und die Stromeingangsklemme 54 des Spannungsreglers
geschaltet. Wenn nun die Spannung quer zur Batterie 12 mit dem höheren Spannungsausgang
abfällt, wird die Basis des Transistots 74 gegenüber dem gemeinsamen Verbindungspunkt
14 negativ, wobei der Transistor 74 erregt wird. Dadurch wird der Transistor 84
nicht mehr erregt, der normal eingeschaltet ist. Die Ent-Erregung des Transistors
84 läßt den Stromeingang zur Regelvorrichtung entfallen und bewirkt die Ent-Erregung
des Transistors 30, wodurch der Strom zu den Wechselfeldern gestoppt und der Wechselstromgenerator
sowie der silikongesteuerte Gleichrichter stillgelegt werden.
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Fig. 3 zeigt eine Abwandlung der Spannungsregleranordnung nach Fig.
1. Hierin ist der Leiter 86 zur Verbindung der Widerstande 36 und 44 miteinander
nach Fig. 1 entfernt, und die Spannungsregler-Stromquelle wird durch die Leitung
88 vorgesehen, die an der Ausgangsklemme 24 des Wechselstromgenerators liegt. Diese
Anordnung ist für Situationen wünschenswert, in denen ein besserer Lade-Wirkungsgrad
mit einem höheren Potenzial gewünscht wird, beispielsweise, wenn die Batterie 12
mit der hdheren Ausgangsspannung andere Lasten zusätzlich zu einer Startermaschine
versorgt.Hierbei wird die Regelvorrichtung wie nach Fig. 1 verwendet, bei der quer
zu der Batterie lo durch den Transistor 74 die Fühleranordnung vorgesehen ist.
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Fig. 4 zeigt eine weitere Aus führungs form gegenüber Fig.
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1, um sich an die übliche Wechselstromausrüstung mit dem Generator
20' anzupassen, die für eine bestimmte Spannung der Summe der beiden in Reihe geschalteten
Batterien vorgesehen ist. Bei dieser Anordnung ist wie in Fig. 3 der Leiter 86,
der die Widerstände 36 und 44 im Spannungsregler miteinander nach Fig. 1 verbindet,
weggelassen.
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Aber die Stromquelle für den Spannungsregler wird durch den Leiter
9o vorgesehen, der direkt mit der Hochspannungsklemme der Batterie 12 verbunden
ist.
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Dem Vorangegangenen kann der Vorteil entnommen werden, daß die Erfindung
eine Ladesteuerung mit vereinfachter und wirtschaftlicher Bauweise vorsieht, die
mit einem guten Wirkungsgrad arbeitet, um eine präzise Aufladung für ein Jedes Paar
von Batterien zu schaffen, die in Reihe miteinander geschaltet sind, und es besteht
auch die Möglichkeit der Anpassung in weitem Umfang an herkömmliche Ladesysteme.
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Für den Fachmann ist klar, daß er verschiedene Abwandlungen in der
Art, der Zahl und der Anordnung der Einzelteile ohne Abweichung von dem allgemeinen
Erfindungsgedanken ausführen kann. Beispielsweise kann die Steuerung für die Verwendung
mit positiven Erd-Systemen vorgesehen sein, wobei die NPN-Transistoren durch PNP-Transistoren
ersetzt werden, und es können auch umgekehrte Polaritäten der Dioden vorgesehen
sein. Der herkömmliche Spannungsregler 28' nach Fig. 2 kann mit dem zugehörigen
Steuerkreis im Bedarfsfall integriert sein. Die Steuerung kann darüber hinaus bei
irgendeiner Kombination von Spannungen angewendet werden, die nicht 12 Volt Batterien
Io und 12
der beschriebenen Art sind. Beispielsweise kann die Batterie
lo 12-Volt führen, die Batterie 12 kann 6-Volt führen, um insgesamt 18-Volt vorzusehen;
20-Volt können ebenfalls hierfür vorgesehen werden, um insgesamt 32-Volt zu erzeugen;
24-Volt, um insgesamt 36-Volt zu erzeugen und schließlich können auch andere Kombinationen
ausgeführt werden.
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Diese und andere Ladevorrichtungen können durch den Fachmann geschaffen
werden,ohne von dem allgemeinen Erfindung gedanken abzuweichen.
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Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß der Erfindungsgegenstand
zwei in Reihe geschaltete Batterien aufweist, die parallel zur Stromquelle und den
Erdklemmen eines Wechselstromgenerators geschaltet slnd,und eln silikon-gesteuerter
Cleichrichter verbindet wahlweise die erwähnte Stromquelle mit dem Verbindungspunkt
zwischen den Batterien. Ein Einschalt-Kreis für den silikon-gesteuerten C'leichrichter
wird parallel zu der Batterie geschaltet, wodurch der höhere Spannungsausgang geschlossen
wird, um eine Leitung des silikon-gesteuerten Cleichrichters zu bewirken, wenn der
Spannungsabfall parallel zu der erwanten Batterie einen bestimmten Wert erreicht,
wodurch der Ladestrom von dem Wechselstromgenerator nur durch die Batterie geleitet
wird, die den niedrigen Spannungsausgang aufweist. Ein Abschaltsteuerkreis für den
silikon-gesteuerten rleichrichter kann darüber hinaus vorgesehen sein, um die in
Reihe geschalteten Batterien mit dem Eingang eines Spannungs reglers zu verbinden,
damit der Wechselatromgererator und der silikon-geæteuerte Oleichrichter ihre Erregung
verlieren, wenn der Spannungs ab fall über die die höhere Spannung führende Ausgzngæbatterie
bis zu einem bestimmten Wert gegenüber dem
Spannungsabfall quer
zu der Niedrigspannungsbatterie abnimmt, wobei der Abschaltsteuerkreis darüber hinaus
die Aktivierung des Spannungsreglers, des Wechselstromgenerators und des silikon-gesteuerten
Gleichrichters bewirkt, wenn die Spannung parallel zu der Niedrigspannungsbatterie
anfang abzufallen, wodurch die Aufladung über die beiden Batterien wiedereinsetzt.