DE2845511A1

DE2845511A1 - Batterieladeschaltung

Info

Publication number: DE2845511A1
Application number: DE19782845511
Authority: DE
Inventors: Mohammed Abdelmoniem Helal; Gunter Reinhard Jurgens
Original assignee: Minitronics Pty Ltd
Current assignee: Minitronics Pty Ltd
Priority date: 1977-11-04
Filing date: 1978-10-19
Publication date: 1979-05-10
Also published as: US4246529A; NZ188610A; GB2007444B; HK41082A; IT7829009A0; CA1121451A; JPS5498942A; IT1160002B; GB2007444A

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anordnung zum Aufladen von Batterien, insbesondere unter Verwendung einer Stromintegration beim Aufladen.

Erfindungsgemäß wird eine Anordnung verwendet, bei der der augenblickliche Ladestrom kontinuierlich gemessen und gleichzeitig über die Zeit integriert wird, um auf diese Weise für jede spezielle Zeitspanne die Gesamtladung zu erhalten. Diese Gesamtladung kann dadurch gesteuert werden, daß die Ladeanordnung abgeschaltet wird, wenn die Gesamtladung dividiert durch eine vorgegebene Zeitspanne einen Bezugs-Mittelwert des Stromes für diese Zeitspanne erreicht. Wenn die Zeitspanne konstant ist, ist auch der Mittelwert des Ladestroms konstant.

Durch Verwendung dieser Anordnung rgibt sich eine Konstantstromladung und eine Konstantspannungsladung, indem eine Batteriespannungsmeßanordnung den Ladestrom in Abhängigikeit von der Größe der gemessenen Batteriespannung ändert.

Die Erfindung betrifft in einem Ausführungsbeispiel eine Batterieladeanordnung mit einer Ladestrommeßanordnung zur Zufuhr

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des gemessenen Ladestroms über eine zu ladende Batterie zu einer Stromintegrieranordnung, mit einer Steueranordnung zur Steuerung eines in Reihe mit der Batterie liegenden Stromschalters und zur Steuerung des periodischen Startens und Rückstellens der Integrieranordnung, wobei der Ladestrom durch die Batterie, den Stromschalter und die Strommeßanordnung fließt, wenn die Ladespannung nach Start jeder Periode höher als die Batteriespannung ist, sowie mit einer Vergleicheranordnung, zum Vergleichen des Ausgangssignals der Integrieranordnung mit einer vorbestimmten Größe des Ladestroms, bei welcher die Vergleicheranordnung mit der Steueranordnung verbunden ist, die den Stromschalter unterbricht und die Integrieranordnung rückstellt, wenn das Ausgangssignal der Integrieranordnung einen vorgebenen Wert des Ladestroms erreicht.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zeigenden Figuren naher erläutert.

Figur 1 zeigt ein BlockschaltbiLd einer Ladeschaltung gemäß der Erfindung.

Figur 2 zeigt den typischen Aufi.au t uier Versorgungsschaltung für eine Ladesc; .. i ά._ i. EiT Liidnruj .

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Figuren zeigen in Diagrammen die Spannungen an verschiedenen Punkten der Versorgungsschaltung gemäß Fig.

Figur 4 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Batterieladeschaltung.

Figur 5 zeigt den Nullspannungs-Detektor aus der Schaltung gemäß der Fig. 1.

Figur 6 zeigt in einem Diagramm die Ausgangsspannung des Nulldurchgangs-Detektor gemäß Fig. 5.

Figur 7 zeigt die Integrierschaltung gemäß Fig. 1.

Figur 8 zeigt die Vergleicherschaltung gemäß Fig. 1. Figur 9 zeigt die Steuerschaltung gemäß Fig. 1.

Figur 10 zeigt den Stromschalter gemäß Fig. 1.

Figuren zeigen in Diagrammen den Betrieb der Ladeschai-

11 (a) und tung gemäß Fig. 4 während eines Zyklus der Lade

spannung.

Γ iguren zeigen die Ausgaagäsparinungen der Integrier;;jLa

12(a) tung un.l dor Ver ;läicherachaltung aus Fig_ä 12{b)

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Figur 13 zeigt eine Abwandlung der Schaltungsanordnung aus Fig. 8, durch die eine Doppel-Ladungsratensteuerung für die Batterie ermöglicht wird.

Bei der Beschreibung der Ladeschaltung gemäß Fig. 1 wird von einer Spannungsversorgung mit Zweiweggleichrichtung ausgegangen. Selbstverständlich ist auch eine Versorgung mit Einweggleichrichtung oder mit Gleichstrom möglich, wie dies später beschrieben werden wird.

Immer wenn die ungefilterte Speisespannung 1 auf den Wert Null Volt absinkt, d.h. wenn die Wechselspannung die Nulllinie kreuzt, führt der Zyklusdetektor 21 der Steuerschaltung 7 einen Impuls zu, und die Steuerschaltung schaltet den Stromschalter 8 in den "Ein"-Zustand. Überschreitet die gleichgerichtete Spannung 10 die Batteriespannung, fließt ein Ladestrom durch die Batterie und wird von der Strommeßschaltung 5 festgestellt. Dieser Strom 18 wird dann mittels der Integrierschaltung 4 integriert, um während des Stromflusses durch die Batterie 9 den augenblicklichen Gesamtladestrom zu jeder Zeit zu erhalten.

Das Ausgangssignal 14 der Integrierschaltung 4 ist eine Spannung, die proportional der erfolgten Gesamtladung ist, und diese Spannung wird in einer Vergleicherschaltung 6 mit

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einer vorgegebenen Bezugsspannung 13 verglichen, die den benötigten durchschnittlichen Ladestrom bezeichnet. Der durchschnittliche Ladestrom ist gegeben durch die erfolgte Gesamtladung dividiert durch eine feste Zeitspanne, und zwar in diesem Fall jede Halbwelle, die vom Nulldurchgangs-Detektor festgestellt wird.

Bei Erreichen der Bezugsspannung liefert die Vergleicherschaltung 6 ein Signal 15 an die Steuerschaltung 7 für den Stromschalter, und der Stromschalter 8 wird mittels des Signals in den "Aus"-Zustand gebracht. Ferner wird mittels des Signales 17 die Integrierschaltung 4 rückgestellt. Der Stromschalter bleibt im "Aus"-Zustand, bis er über den Zyklusdetektor 2 zu Beginn der nächsten Halbwelle wieder in den"Ein"-Zustand geschaltet wird.

Die vorstehende Beschreibung betrifft eine Ladeschaltung mit einem konstanten Durchschnittsstrom. Um die Strom-Integrierschaltung in einer Ladeschaltung für konstante Spannung einzusetzen, wird die Bezugsspannung für die Vergleicherschaltung durch eine Spannungsmeßschaltung ersetzt, die kontinuierlich die Batteriespannung ermittelt, die bei Annäherung an den vollständig geladenen Zustand den Ladestrom absinken läßt. Unterhalb der vollen Ladespannung wird der Vergleicherschaltung eine maximale Bezugsspannung zuführt, um den maximalen Ladestrom zu begrenzen.

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Bei Verwendung einer nur aus einer Halbwelle bestehenden Versorgungsspannung wird der von der Integrierschaltung ermittelte Gesamtstrom über den vollen Zyklus gemittelt, wozu eine Bezugsspannung entsprechend diesem Stromwert verwendet wird.

Bei Speisung mit Gleichstrom wird der Nulldurchgangs-Detektor durch einen stabilen Impulsgenerator ersetzt, um den Stromschalter zu Beginn jedes Zyklus in den "Ein"-Zustand zu schalten. Dadurch wird die Zeitspanne, über die der Gesamtstrom gemittelt wird, durch den Impulsgenerator festgelegt.

In Fig. 2 ist eine Versorgungsschaltung für eine Speisespannung von 240 V, 50 Hz dargestellt, die einen Abwärtstransformator aufweist, dessen Sekundärspannung Vs in Fig. 3 (a) dargestellt ist, wobei

Vs = E sinus θ (1)

Es ist ohne weiteres klar, daß die Spitzenspannung E höher
sein soll als die Batteriespannung Vb.

Wie Fig. 2 zeigt, erzeugt die Versorgungsschaltung drei Ausgangsspannungen Vr, Vz und Vc. Zur Erzielung einer Zweiweggleichrichtung wird ein Brückengleichrichter (D1-D4) eingesetzt, der ein Ausgangssignal mit der Periode TT erzeugt, das immer die gleiche Polarität hat und in diesem Fall positiv ist. Dieses Ausgangssignal wird direkt als Eingangssignal für das
Anlaufen des Zyklusdetektors 2 (Fig. 1) benutzt. Dabei ermittelt der Detektor 2 den Wert Null des Signals Vz der Zweiweg-

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gleichrichtung und wird deshalb als Null-Detektor bezeichnet, der bei Ereichen eines Null-Wertes des Zyklus anläuft. Ein Widerstand Rl stellt sicher, daß ein Null-Wert der Spannung Vz auftritt, während die Spannung Vs niedriger ist als der Spannungsabfall über den Dioden in Durchlassrichtung. Das gleiche Signal Vz wird benutzt, um hinter den Trenndioden D6 und D5 die Signale Vc und Vr zu erzeugen. Das hinter der Diode D6 auftretende Signal Vc dient zur Aufladung der Batterie, wobei es typisch für Vz ist, wie sich aus Fig. 3 (b) ergibt. Das hinter D5 auftretende Signal wird mittels des Kondensators Cl gefiltert und durch einen Spannungsregler geregelt, so daß Vr eine geregelte Ausgangsspannung darstellt, die zur Speisung der anderen Schaltelemente dient.

Der Fig. 5 gezeigte Null-Detektor enthält einen Vergleicher A1 mit zwei Eingängen, und der nicht invertierende Eingang ist mit Erde als Null-Bezugsspannung verbunden, während dem invertierenden Eingang über einen Widerstand R2 die Spannung Vz geführt wird. Ist diese Spannung größer als der Null-Wert der am anderen Eingang des Vergleichers anliegt, ergibt sich ein niedriges Vergleicherausgangssignal, und das Ausgangssignal des Vergleichers ist hoch, wenn Vz den Wert Null hat. Der Inverter Inv1 dient zum Konditionieren des Signals, um es von der Steuerschaltung 7 (Fig. 1) weiter verarbeiten zu lassen. Das Ausgangssignal Vzd ist in Fig. 6 dargestellt.

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Figur 7 zeigt die Integrierschaltung und die Strommeßschaltung aus Fig. 1. Die Strommeßschaltung enthält einen kleinen Widerstand R3, so daß der entstehende Spannungsabfall sehr klein gegenüber den Spannungen Vb und Vc ist. Wird der Start des ersten Zyklus festgestellt, so schaltet die Steuerschaltung (Fig. 1) den Stromschalter 8 (Fig. 1 ) in den "Ein"-Zustand. Strom beginnt nur dann zu fließen, wenn die Spannung Vc größer ist als die Spannung Vb. Der Stromfluß, der mittels des Widerstandes R3 festgestellt wird, wird der Integrierschaltung als kleiner Spannungsabfall über R3 zugeführt. Die Integrierschaltung wird von einem Signal Vior von der Steuerschaltung geregelt. Ein "OPERATE"-Signal öffnet den Analogschalter S1, und die Integrierschaltung beginnt das Eingangssignal vom Widerstand R3 zu integrieren, so daß ihr Ausgangssignal eine ansteigende Spannung ist, die den integrierten Stromfluß durch die Batterie bezeichnet. Dieses Ausgangssignal Vio dient als Eingangssignal für die in Fig. 8 gezeigte Vergleicherschaltung. Ein "RESET"-Signal schließt den Schalter S1, und dadurch erhält das Ausgangssignal Vio den Wert Null. Das Ausgangssignal Vio der Integrierschaltung ist in Fig. 12 (a) dargestellt. Wie Fig. 7 zu entnehmen ist, ist die Intregrierschaltung ein Verstärker A2 mit großer Verstärkung, bei dem als Rückkopplungsimpedanz ein integrierender Kondensator verwendet wird. Der Kondensator C3 und der Widerstand R4 der Integrierschaltung sollte so gewählt werden, daß die sich ergebende Zeitkonstante wesentlich kleiner ist als die Vesorgungsspannungsperiode für

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eine sehr schnelle und genaue Integration.

Die Vergleicherschaltung gemäß Fig. 8 benutzt eine Bezugsspannung, die von einem Spannungsteiler R7, R6 geliefert wird, der von der geregelten Spannung Vr gespeist ist. Die Genauigkeit und Stabilität dieser Bezugsspannung ergibt sich daraus, daß die Spannung Vr sehr genau geregelt und stabil ist und daß die Eingangsimpedanz des nicht invertierenden Eingangs der Vergleicherschaltung A3 sehr hoch ist. Die Ausgangsspannung Vcomp der Vergleicherschaltung ist in Figur 12 (b) dargestellt, Sie dient als Eingangssignal für die Steuerschaltung gemäß Fig.

Figur 9 zeigt die Steuerschaltung, die einen Speicher in Form eines Flip-Flops mit Setz- und Rückstelleingang aufweist. In der Steuerschaltung sind zwei NAND-Gatter vorgesehen, deren Eingänge das Ausgangssignal Vcomp der Vergleicherschaltung (Fig. 12 (b)) und das Ausgangssignal· Vzd des Null-Detektors (Fig. 6) zugeführt wird. Die beiden Ausgangssignale sind das Rückstellsignal Vior für die Intregrierschaltung und das Stromschaltsignal Vcs, daß dem Signal Vior komplementär ist.

Wie Fig. 10 zu entnehmen ist, wird das Stromschaltsignal Vcs von der Steuerschaltung nicht direkt zur Steuerung des Stromschalters verwendet, sondern zwischen der Steuerschaltung und

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Stromschalter ist als Puffer ein Verstärker A4 angeordnet. Der Stromschalter besteht aus einem Paar Transistoren in Darlington-Scchaltung, um eine hohe Verstärkung und einen niedrigen Treiberstrom zu erhalten.

Im folgenden wird nunmehr die Betriebsweise der Ladeschaltung gemäß Fig. 4 im einzelnen beschrieben.

Figur. 11(a) zeigt einen Zyklus der Ladespannung Vc. Wie vorstehend erläutert, befindet sich der Stromschalter zu Beginn des Zyklus, d.h. bei-O= Null im "EIN"-Zustand. Der Strom
beginnt jedoch entsprechend dem Wert der Batteriespannung Vb zu fließen und wird unterbrochen, wenn der Stromschalter in
den "AUS"-Zustand kommt. Dies kann wie folgt zusammengefaßt
werden:

1. Ladestrom = Null Vc kleiner oder gleich Vb

2. Ladestrom fließt Vc größer als Vb

3. Ladestrom = Null Stromschalter "AUS"
Diese drei Zustände treten nacheinander während eines Zyklus auf und wiederholen sich in jedem Zyklus. Der Zustand 3 wird von der Vergleicherschaltung entsprechend dem Ausgangssignal der Intregrierschaltung bestimmt. Dieses Ausgangssignal
(Fig. 12(a)) hängt vom Stromfluß gemäß Fig. 11(b) ab. Wie

Fig. 11 zeigt, erfolgt der Stromfluß zwischen Θ. und ©„. Der Stromfluß beginnt bei Θ. und endet Θ« wobei sich θ~ aus der
Gleichung (1) wie folgt ergibt

Vc = Vb = E sinus Θ. (2)

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Geht man von einem idealen Stromschalter aus, so beträgt der Spannungsabfall über R3 infolge des Stromes (Vc = Vb). Der mittlere Srom ist dann

^Θ2

_{Iav =} . ι vc-vb de (3)

TT

Θ1

Aus Fig. 7 ergibt sich, daß das Eingangssignal für den Verstärker A2 der Intregrierschaltung der Spannungsabfall über R3, also (Vc - Vb) ist. Das Ausganssignal Vio der Intregrierschaltung ergibt sich dann zu

Vio = (Vc-Vb) +

Θ2
R3 1 Γ Vc-Vb dö (4)

2fR4C3 J₁-J R3 Θ1

Somit gilt also

Vio = K Iav (5)

Wie vorstehend gezeigt, steht das Signal Vio zum durchschnittlichen Strom bzw. zu der durch die Batterie fließenden Ladungsmenge in etwa linearer Beziehung.

Eine Doppelladeratensteuerung kann der Schaltungsanordnung durch Verwendung eines Zeitgebers zugefügt werden, der auf die für eine hohe Ladung erforderliche Periode eingestellt ist, Das Ausgangssignal des Zeitgebers steuert einen Schalter S2, der mit der Vergleicherschaltung verbunden ist (Fig. 3). Dieser Analogschalter S2 und der Widerstand R11 werden verwendet,

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um die Bezugsgröße und damit den erforderlichen Ladestrom zu ändern. Wird eine Doppelrate der Schaltungsanordnung in einem Notsystem benutzt, kann ein Speicher verwendet werden, um die Notperiode zu speichern und den Analogschalter S2 für eine höhere Laderateperiode entsprechend der Notperiode zu steuern sowie dann eine Steuerung für die niedrige Laderate vorzunehmen,

In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird eine Wechsel-Speisespannung zur Batterieladung verwendet. Falls vorhanden kann jedoch auch eine Gleichspannung benutzt werden, und die integrierende Ladeschaltung kann eingesetzt werden, wenn ein Impulssignal, etwa eine frei laufende Rechteckwelle erzeugt wird, um den Integrationsvorgang in vorgegebenen Abständen, den Zyklusperioden der erzeugten Rechteckwelle anlaufen zulassen. Die Beendigung des IntegrationsVorganges wird in der vorstehend beschriebenen Weise von der Vergleicherschaltung und der Steuerschaltung geregelt.

Man erkennt, daß als Steuerschaltung ein Mikroprozessor eingesetzt werden kann, der dann auch mehr als eine Batterieladeschaltung für unterschiedliche Sätze von Batterien steuern kann. Der Mikroprozessor erhält in diesem Fall die Informationen über den Beginn des Zyklus (Synchronisierimpuls) und den Zustand des Ladestroms. Diese Informationen kommen einzeln von den verschiedenen Ladeschaltungen, und der Mirkoprozesser erkennt und analysiert sie und führt der entsprechenen Ladeschaltung „die erforderlichen Steuersignale zu.

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Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung liegt in der Verwendung von Wechselstrom.

Bei Einsatz der Erfindung ergibt sich, daß der konstante, durchschnittliche Strom unabhängig von der Versorgungsspannung und von deren Wellenform und Frequenz ist, wobei die Frequenz die Arbeitsgeschwindigkeit der Schaltung bestimmt.

Die Vorteile der Erfindung zeigen sich beispielsweise in einer Ladeeinrichtung zum Aufladen von Säure enthaltenden Bleiakkumulatoren mit 12 Zellen und 24 V, 20 Ah. Es braucht dann lediglich die Spannungsmeßschaltung zur Messung der neuen Klemmspannung geändert zu werden, wenn eine Akkumulatoranordnung mit 20 Ah und 1 bis 12 Zellen aufgeladen werden soll, ohne daß eine nennenswerte Zunahme der Schaltungsverluste auftritt. Dadurch kann der Hersteller einen einzigen Leistungstransformator verwenden und braucht nicht für jede Anordnung einen anderen Transformator einzusetzen.

Für unterschiedliche Arten von Batterien brauchen lediglich die Strommeß- und Spannungsbezugs- bzw. Spannungsmeßschaltungen geändert zu werden, um eine Anpassung bei minimaler Änderung der Versorgungsschaltungstransformatoren durchzuführen.

Außerdem ist die erfindungsgemäße Ladeschaltung mit Stromintegration gegen Kurzschlüsse geschützt.

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/Th

Leerseite

Claims

Patentansprüche

Batterieladeschaltung mit einer Ladestrommeßanordnung zur Zufuhr des gemessenen Ladestroms über eine zu ladende Batterie zu einer Stromintegrieranordnung, mit einer Steueranordnung zur Steuerung eines in Reihe mit der Batterie liegenden Stromschalters und zur Steuerung des periodischen Startens und Rückstellens der Integrieranordnung, wobei der Ladestrom durch die Batterie, den Stromschalter und die Strommeßanordnung fließt, wenn die Ladespannung nach Start jeder Periode höher als die Batteriespannung ist, sowie mit einer Vergleicheranordnung, zum Vergleichen des Ausgangssignals der Integrieranordnung mit einer vorbestimmten Größe des Ladestroms, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleicheranordnung mit

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INSPECTED

der Steueranordnung verbunden ist, die den Stromschalter unterbricht und die Integrieranordnung rückstellt, wenn das Ausgangssignal der Integrieranordnung einen vorgebenen Wert des Ladestroms erreicht.
2. Batterieladeschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranordnung einen Flip-Flop aus zwei NAND-Gattern mit Setz- und Rückstelleingängen aufweist.
3. Batterieladeschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das periodische Starten der Integrieranordnung entsprechend dem Null-Wert der Spannung eines durch Zweiweggleichrichtung aus einem Wechselstrom gewonnenen Ladesignals erfolgt.
4. Batterieladeschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromschalter ein Paar Transistoren in Darlington-Schaltung aufweist.
5. Batterieladeschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strommeßanordnung einen kleinen Widerstand enthält.

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6. Batterieladeschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das periodische Starten der Integrieranordnung mittels periodischer Signalimpulse von einem Impulsgenerator bewirkt wird.
7. Batterieladeschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Steueranordnung für eine Doppelladerate.
8. Batterieladeschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranordnung für eine Doppelladerate einen Zeitgeber zur Steuerung eines Schalters enthält, der zur Änderung des Bezugsignals für die Vergleicheranordnung betätigbar ist.

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