DE2848466A1 - Batterieladevorrichtung - Google Patents

Batterieladevorrichtung

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DE2848466A1
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signal
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charging current
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Christopher Duff King
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KING Co
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Description

B atterie ladevorrichtung
Die Erfindung betrifft eine B atterie ladevorrichtung, insbesondere eine Vorrichtung zum Aufladen von Batterien, die zur industriellen Anwendung, beispielsweise in Gabelstaplern und batteriebetriebenen Fahrzeugen vorgesehen sind.
Beim industriellen Gebrauch der Batterien - insbesondere wenn ein hoher Energieabfluß erforderlich ist - werden diese manchmal während des Ladevorganges zerstört. Diese Zerstörung ist darauf zurückzuführen, daß die Batterietemperatur beim Aufladen eine sichere Aufladetemperatur überschreitet und nicht, wie bisher angenommen, daß ein zu großer Ladestrom vorliegt. Durchgeführte Versuche haben dies bestätigt. Die Batterietemperatur kann zudem nicht nur durch das Aufladen mit einem zu großen Strom überschritten werden, sondern auch durch eine rasche Entladung, die der Aufladung vorausgeht.
Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, eine Batterieladevorrichtung vorzuschlagen, die den Auf lad es tr om unterbricht, falls die Batterietemperatur einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Die Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Erfindung ergeben sich aus Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in weiteren Ansprüchen enthalten.
Bei der Erfindung handelt es sich somit um ein Batterieladesystem, das ein Ladegerät, eine Temperaturfühl- bzw. -meßeinrichtung T und eine Ladestrom-Steuereinrichtung aufweist. Dabei ist die Ladestrom-Steuereinrichtung derart mit der Temperaturmeßeinrichtung verbunden, daß
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der Aufladevorgang unterbrochen werden kann, falls die Temperaturmeßeinrichtung erkennt, daß die Temperatur einer aufzuladenden B atterie bei oder über einem festgelegten, zur Aufladung ungeeigneten Temperaturwert liegt.
Vorzugsweise kann die Ladestrom-Steuereinrichtung über die beiden üblichen Zuleitungen, die zur Lieferung des Ladestroms an die Batterie verwendet werden, mit der Batterie verbunden werden.
Des weiteren zeigt die Erfindung einen mit den Batteriepolen bzw. -klemmen verbundenen Signalgeber und einen mit der Batterie verbundenen Temperaturfühler. Liegt die Temperatur der Batterie bei oder über einem vorbestimmten, für die Aufladung ungeeigneten Temperaturwert, so kann der Signalgeber aufgrund des Temperaturfühlers ein Impulssignal an die Batterieklemmen liefern. Der Signalgeber weist dazu eine Einrichtung auf, die derart mit dem Temperaturfühler verbunden ist, daß sich die am Temperaturfühler anliegende Spannung in Übereinstimmung mit der Temperatur der Batterie ändert. Weiterhin kann mit einer Vergleichsschaltung die am Temperaturfühler anliegende Spannung mit einer festgelegten Bezugsspannung verglichen und - falls die Spannung am Temperaturfühler größer als die festgelegte Bezugsspannung ist - ein Ausgangssignal erzeugt werden, das anzeigt, daß die Batterietemperatur bei oder über dem festgelegten Temperaturwert liegt. Dieses Aus gangs sign al der Spannungsvergleichsschaltung gelangt an einen Oszillator und bringt diesen in Erwiderung des erfaßten Ausgangssignals zum Schwingen. Der Signalgeber weist letztlich einen Transistorschalter auf, der die Batterie über eine Parallelschaltung eines Widerstands mit einem Kondensator im Takt der Oszillatorfrequenz kurzschließt und somit ein Impulssignal an die Batterieklemmen liefert.
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Die Erfindung weist vorteilhafterweise einen Signalempfänger in Verbindung mit einem Batterie ladegerät auf, der das Ladegerät beim Auftreten eines Impulssignals an den Batterieladestromzuleitungen ausschaltet. Dieses Impulssignal zeigt an, daß die Temperatur der Batterie bei oder über einem vorbestimmten, für die Aufladung der Batterie ungeeigneten Temperaturwert liegt. Der Signalempfänger weist zudem eine Schalteinrichtung auf, die das etwa vorliegende Impulssignal erfaßt und demzufolge ein Relais schließt, wodurch der Ladestrom zu den sich vom Ladegerät weg erstreckenden Ladestromzuleitungen unterbrochen wird.
In vorteilhafter Weise kann der Signalgeber und der Temperaturfühler ganz bzw. einstückig mit der Batterie verbunden bzw. ausgeführt sein.
Als Temperaturfühler eignet sich insbesondere ein in die Batterie eingesetzter temperaturabhängiger Widerstand.
Der Signalgeber kann von der Batterie oder von dem Ladegerät gespeist werden. Das vom Signalgeber erzeugte Wechselspannungssignal wird benutzt, um einemSignalempfänger anzuzeigen, daß der Widerstandswert des Temperaturfühlers einer Temperatur entspricht, die gleich oder über einem festgelegten Temperaturwert liegt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein grundsätzliches Blockschaltbild einer Batterie-
ladevorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein grundsätzliches Blockschaltbild eines bevorzug
ten Ausführungsbeispiels;
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Fig. 3 ein detailliertes Schaltbild eines Signalgebers zum
Einbau in die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2;
Fig. 4 ein detailliertes Schaltbild eines Signalempfängers
zum Einbau in die Schaltungsanordnung gemäß Fig. und
Fig. 5 eine Batterie mit einem fest verbundenen Tempera
turfühler sowie Signalgeber schaubildlich in perspektivischer Ansicht.
Fig. 1 verdeutlicht eine äußerst einfache Batterie ladevorrichtung gemäß der Erfindung, bei der eine Temperaturfühl- bzw. -meßeinrichtung T in die Batterie 1 eingesetzt ist. Die Temperaturmeßeinrichtung T kann dabei in den Kern der Batterie 1, beispielsweise in das Gehäusematerial oder wahlweise in den Elektrolyten der Batterie 1 eingesetzt werden. Die TemperaturmeßeinrichtungT besteht vorzugsweise aus einem temperaturabhängigen Widerstand. Diese Meßeinrichtung ist mit einer Ladestrom-Steuereinrichtung 2 verbunden. Ändert sich nun die Batterietemperatur, so ändert sich demzufolge der Widerstand der TemperaturmeßeinrichtungT. Sollte der Widerstand jedoch einen Wert annehmen, den die Ladestrom-Steuereinrichtung 2 als Temperatur erkennt, die höher als die festgelegte Temperatur ist, so wird das Ladegerät 3 abgeschaltet. Die Ladestrom-Steuereinrichtung 2 kann ein Transistorschalter-Schaltkreis sein, der mit den Ausgangs leitungen des Ladegeräts 3 verbunden ist.
Fig. 2 zeigt ein spezielles bevorzugtes Ausführungsbeispiel, bei dem nur zwei Leitungen 5 und 6 benötigt werden, um das Ladegerät 3 und die Ladestrom-Steuereinrichtung 2 mit den Anschlußklemmen 9 und 10 der Batterie 1 zu verbinden.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel können die Leitungen 5 und 6 die üblichen B atterieladestromzuleitungen darstellen. Die Ladestrom-Steuereinrichtung 2 weist einen fest mit den Batterieklemmen 9 und 10 verbundenen Signalgeber 7 und einen fest mit dem Ladegerät 3 verbundenen Signalempfänger 8 auf. Die für den Signalempfänger 8 nötige Energie kann entweder von der Batterie 1, vom Ladegerät 3 oder wahlweise von einer eigenen Energie- bzw. Spannungsquelle bezogen werden. Aus der Fig. 2 und teilweise aus Fig. 5 ist zu ersehen, daß der Signalgeber 7, der Signalempfänger 8 und das Ladegerät 3 alle mit den Batterieklemmen 9 und 10 verbunden sind. Aus Fig. 2 ist zu entnehmen, daß der Empfänger 8 über eine Leitung 11 mit dem Ladegerät 3 verbunden ist, um das Ladegerät 3 ein- oder ausschalten zu können.
Im folgenden wird das Schaltbild der Fig. 3 näher beschrieben. Die Temperaturmeßeinrichtung T stellt einen temperaturabhängigen Widerstand dar, der in die Batterie derart eingesetzt ist, daß er sich in den Elektrolyten erstreckt. Der temperaturabhängige Widerstand T ist dabei mit einem Differentialverstärker 13 verbunden. Mit dem Differentialverstärker 13 ist weiterhin ein Bezugswiderstand 14 verbunden. Der Wert (in Ohm) des Bezugs Widerstands 14 ist dabei so gewählt, daß er dem Wert des temperaturabhangigen Widerstands T bei einer Temperatur entspricht, bei dem das Ladegerät 3 ausgeschaltet werden soll. Der temperaturabhängige Widerstand T und der Bezugswiderstand 14 sind mit einer Zenerdiode 15 und einem Widerstand R1 verbunden, wodurch von den Batterieanschlüssen bzw. -anschlußleitungen eine weitgehend stabilisierte Spannung erhalten werden kann. Die Aufgabe des Differentialverstärkers 13 besteht darin, ein Ausgangssignal (Ein/Aus) zu erzeugen, falls die Spannung an der Anschlußklemme des Differentialverstärkers, die mit dem Bezugswiderstand 14 verbunden ist, größer ist als die Spannung an der Anschlußklemme, die mit dem temperaturabhangigen Widerstand T verbunden ist. Die Ausgangsgröße des Differentialverstärkers 13 wird dann
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an einen Oszillator 16 (freilaufend bei 20 kHz) angelegt, um den Oszillator 16 einzuschalten, falls der Differentialverstärker 13 eine große Ausgangsgröße erzeugt. Dieser Zustand zeigt an, daß die Temperatur der Batterie 1 zu hoch ist, und der Ladevorgang gestoppt werden sollte.
Die Ausgangsgröße des Oszillators 16 wird weiterhin an einen Transistorschalter 17 angelegt, der dazu dient, die Batteriezuleitungen kurzzeitig für jede positive Schwingungsperiode des Oszillators 16 kurzzuschließen. Die Batteriezuleitungen werden über einen Widerstand R„ während dieses
Vorgangs kurzgeschlossen und die sich daraus ergebende Spannung am Widerstand R„ wird an einen Kondensator C1 angelegt, der sich auflädt und wiederum einen nadeiförmigen Wechselsspannungsimpuls 18 mit einer Impulsdauer von etwa 1μ sec„ an die Batteriezuleitungen liefert. Die Frequenz der Impulse 18 entspricht der Oszillatorfrequenz (20 kHz).
Im folgenden wird die Schaltung des Signalempfängers 8 beschrieben. Der Empfänger 8 ist derart ausgelegt, daß er die von dem oben beschriebenen Signalgeber 7 erzeugten Wechselspannungsimpulse 18 feststellen kann. Liegen Impulse 18 vor, so schaltet der Signalempfänger 8 das Ladegerät 3 ab. Von den Batterie- bzw. Auf ladestromzuleitungen 5 und 6 gelangen die Wechselstromimpulse 18 an ein einen Kondensator 19 und einen Widerstand 20 aufweisendes Hochpaßfilter, das derart abgestimmt ist, daß derartige Signale 18 sowie höherfrequente Signale durchgelassen werden.
Die Impulse 18 werden dann in eine monostabile Schaltung 21 eingegeben und auf eine Länge von etwa 35 μ see. gedehnt, um für eine Impulsanstiegszeit pro Periode zu sorgen, die ausreichend ist, um ein leichtes Erfassen der Signale durch die nachfolgende Schaltung zu ermöglichen. Die gedehnten Impulse werden dann in ein Tiefpaßfilter, das aus einem Widerstand 22 und einem Kondensator 23 besteht, eingegeben, um einen Spannungsmittelwert der Impulsreihe zu bilden. Die an dem Kondensator
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23 erzeugte Spannung wird weiterhin in einem Differentialverstärker 24 mit einer Bezugs spannung von etwa 6 Volt Gleichspannung, die von der Zuleitung 25 geliefert wird, verglichen. Die Bezugsspannung, die von der Zuleitung 25 geliefert wird, kann von den Batteriezuleitungen 5 und 6 über einen Widerstand und eine geeignete Zenerdiode (nicht gezeigt) abgegriffen, werden. Ist nun die Spannung am Kondensator 23 größer als die Bezugsspannung, so erzeugt der Differentialverstärker 24ein Signal, aufgrund dessen der Transistorschalter 26 durchschaltet und ein Tauchspulenrelais 27 zum Ansprechen bringt, das weiterhin den Ladestrom zur Batterie 1 unterbricht. Die Bezugsspannung ist willkürlich gewählt, beispielsweise zu 6 Volt. Diese Spannung ist ausreichend groß, so daß keine Wirkungen hervorgerufen werden, falls unerwünschte elektrische Störungen oder Indifferenzen auf den Batterie- bzw. Auf ladestromzuleitungen 5 und 6 vorhanden sind.
Das Ladegerät 3 kann ein übliches Batterieauf ladegerät sein, das bekannterweise zur Aufladung wiederaufladbarer Zellen verwendet wird.
Versuche haben ergeben, daß bei Bleibatterien mit Naßelementen (Säuiebatterien),die für Fahrzeuge verwendet werden, der festgelegte Temperaturwert bei etwa 52 C liegen s
einem sicheren Niveau gehalten.
raturwertbei etwa 52 C liegen sollte. Der Ladestrom wird dann auf
Nach Benutzung der Batterien werden diese von irgendeiner Last getrennt und mit dem Ladegerät 3 über Aufladestromzuleitungen 5 und 6 verbunden. Liegt die B atterietemperatur über dem festgelegten Temperaturwert, so schaltet die Steuereinrichtung 2 das Ladegerät 3 ab. Auf diese Weise sirkt vor Auf ladung der Batterie die Batterietemperatur durch den natürlichen Abkühlprozeß unter den festgelegten Temperaturwert. Wird die Batterie zu schnell geladen, was einem Temperaturanstieg über den festgelegten Temperaturwert entspricht, so wird der Ladevorgang unter-
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brochen, bis die Batterietemperatur auf einen zufriedenstellenden Wert gesunken ist.
Es ist jedoch auch denkbar, das Wechselspannungsimpulssignal 18 dann vorzusehen, wenn die Batterie den festgelegten Temperaturwert noch nicht erreicht hat. In diesem Fall wird durch geeignete Umstellung des Signalempfängers 8 das Ladegerät 3 dann ausgeschaltet, wenn kein Impulssignal 18 vorliegt.
Aus der vorangegangenen Beschreibung ist zu ersehen, daß zum Aufladen der Batterie 1 nur die beiden üblichen Aufladestromzuleitungen 5 und 6, die den Ladestrom an die Batterie 1 liefern, erforderlich sind. Somit wird eine umfangreiche Verdrahtung, die sonst mit den Batterieklemmen und dem temperaturabhängigen Widerstand vorgenommen werden müßte, vermieden.
Es ist weiterhin durch eine geeignete Schaltungs modifikation möglich, den inneren Widerstand der Batterie 1 zu bestimmen. Dies kann ähnlich der Widerstandsmessung der mit der Batterie 1 verbundenen Temperatur fülleinrichtung T erfolgen. Erreicht der innere Widerstand einen Wert, der anzeigt, daß die Batterie 1 den vorbestimmten, noch sicheren Temperaturwert erreicht oder überschritten hat, so kann das Ladegerät dadurch ausgeschaltet werden.
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Claims (8)

  1. Hid:, nOth, ZeitlRf . non/090/141
    Patentanwälte NCJ8 i biriiL \j OJ / LL J44
    CC' M υ η c Ji e η 2 2 · S t e i η s d ο r f s t r a B e 21 - 22 · Telefon 089 / 29 84
    CHRISTOPHER DUFF KING & SALLY KING 12 Parkers Road, Parkdale, Victoria, AUSTRALIEN
    und
    NOEL TREVOR BOWMAN 11 Mountain Highway, Franks ton, Victoria, AUSTRALIEN
    Batterieladevorrichtung
    Patentansprüche:
    ! lJ Batterieladevorrichtung mit einem Ladeschaltkreis, gekennzeich· net durch eine Temperaturfühl- bzw.-meßeinrichtung (T) und eine mit dieser leitend verbundenen Aufladestrom-Steuereinrichtung (2), wobei die Temperaturmeßeinrichtung (T) erkennen kann, ob die Temperatur einer aufzuladenden Batterie (1) bei oder über einem festgelegten, für den Aufladevorgang ungeeigneten Temperaturwert liegt.
  2. 2. Batterieladevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufladestrom-Steuereinrichtung (2) einen Signalgeber (7) und einen Signalempfänger (8) aufweist, wobei der Signalgeber (7) - falls die von der Temperaturmeßeinrichtung (T) erfaßte Temperatur über einem vorbestimmten Temperaturwert liegt- ein Signal erzeugt
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    und überträgt, sowie der Signalempfänger (8) dieses Signal erfaßt und das Ladegerät (3) abschaltet.
  3. 3. Batterieladevorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich· net, daß der Signalgeber (7) und der Signalempfänger (8) fortlaufend mit Gleichspannung versorgt sind, die an den das Ladegerät (3) und die Batterie (1) verbindenden Auf ladestromzuleitungen (5, 6) anliegt.
  4. 4. Batterieladevorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber (7) mit den Batterieklemmen (9 und 10) und die Temperaturmeßeinrichtung (T) mit der Batterie(l)fest verbunden shd, wobei nach Entfernen der Auf ladestromzuleitungen (5 und 6) der Signalgeber (7) und die Temperaturmeßeinrichtung (T) mit den Batterieklemmen (9 und 10) fest verbunden bleiben und diese (1, 7 und T) somit insgesamt eine Einheit bilden.
  5. 5. Batterieladevorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalgeber (7) den Auf ladestromzuleitungen (5 und 6) ein Impulssignal (18) aufprägt, falls die Batterietemperatur bei oder über einem festgelegten Temperaturwert liegt und wobei der Signalempfänger (8) das auf die Auf ladestromzuleitungen (5 und 6) gegebene Impulssignal (18) des Signalgebers (7) erfaßt und demzufolge den Ladestrom zur Batterie (1) unterbricht.
  6. 6. Batterieladevorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur me ßeinrichtung (T) aus einem temperaturabhängigen Widerstand besteht, der derart verdrahtet ist, daß sich die anliegende Spannung entsprechend der Widerstandsänderung ändert und wobei der Signalgeber (7) eine Spannungsvergleichs schaltung (13) aufweist, die die an dem temperaturabhängigen Widerstand (T) anliegende Spannung erfaßt und mit einer festgelegten Bezugsspannung
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    vergleicht, so daß bei einem bestehenden Spannungsunlerschied - der anzeigt, daß die Temperatur bei oder über einem vorbestimmten Temperaturwert liegt - die Spannungsvergleiehsschaltung (13) ein Ausgangssignal an einen Oszillator (16) liefert und diesen zum Schwingen anregt, infolgedessen wiederum ein Transistorschalter (17) mit einer der Oszillatorfrequenz gleichen Frequenz eingeschaltet wird und wodurch die Aufladestromzuleitungen (5 und 6) bzw. die Batterie (1) zur Erzeugung des Impulssignals (18) über einen Widerstand (R0) und einen dazu parallel liegenden Kondensator (C1) im Takt der Oszillatorfrequenz kurzgeschlossen werden bzw. wird.
  7. 7. Batterieladevorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalempfänger (8) folgende Komponenten aufweist:
    ein Hochpaßfilter (19 und 20) zum Durchlassen des Impulssignals (18),
    eine monostabile Schaltung (21), die das vom Filter durchgelassene Impulssignal (18) erfaßt und die Impulsdauer des Signals (18) vergrößert bzw. dehnt,
    ein Tiefpaßfilter, das die gedehnten Impulssignale (18) erfaßt und den Mittelwert der Spannungsimpulse bildet,
    eine darauffolgende Spannungsvergleiehsschaltung (24), die die gemittelte Spannung erfaßt und diese mit einer Bezugs spannung vergleicht, wobei ein Ausgangssignal entsteht, falls die gemittelte Spannung größer als die Bezugsspannung ist sowie
    eine mit dem Ausgang der Spannungsvergleiehsschaltung (24) verbundenen Schalteinrichtung (26), die an ein Relais (27) zu dessen Betätigung
    9033 909819/0960
    einen Arbeitsstrom liefert, wodurch der Ladestrom zu den Aufladestromzuleitungen (5 und 6) unterbrochen wird.
  8. 8. Batterieladevorrichtung nach Anspruch 6, d adurch gekennzeichnet, daß der temperaturabhängige Widerstand (T) und ein der B ezugsspannung entsprechender Widerstand (14) einerseits über eine Zener-Diode (15) und andererseits über einen Widerstand (R1) mit den Batterieklemmen (10 und 9) verbunden sind, um eine weitgehend stabilisierte Spannung zu erhalten.
    iL Batterieladevorrichtung· nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmeßeinrichtung (T) in das Gehäusematerial oder in den Elektrolyten der Batterie (1) eingesetzt ist.
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