DE3013709C2 - Ladeeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich aui Einrichtungen zur Elektroenergieumwandlung, unrisie batrifft insbesondere eine Ladeeinrichtung für Akkumulatorenbatterien.

Mit dem größten Nutzeffekt kann die Erfindung im Verkehrswesen zum Laden und operativen Nachladen von Akkumulatorenbatterien für Kraftfahrzeuge verwendet werden.

Es ist eine Einrichtung zum Laden von Akkumulatorenbatterien aus einem Einphasenwechselstromnetz bekannt (Wajlow, A. M., Ejgel, F. I. Awtomatisazija kontrolja i obslushiwanija akkumulatornych batarej — Automatisierung der Prüfungs- und Wartungsarbeiten an Akkumulatorenbatterien —, Moskau, Verlag »Swjas«, 1975, S. 39—40), die einen Anpassungstransformator, einen zweipulsigen Halbleiter-Wechselstromgleichrichter, einen Begrenzungswiderstand im Akkumulatorenbatterieladestromkreis sowie ein elektromagnetisches Ladeschlußrelais enthält, das mittels einer Halbleiterschaltung zur Überwachung der Spannung an den Klemmen der Akkumulatorenbatterie gesteuert wird.

In dieser bekannten Einrichtung ist ein veränderlicher Widerstand zur Einstellung der durch eine Akkumulatorenbatterie während deren Ladung aufgenommenen Stromstärke enthalten. Die vorgesehene Leistung des Begrenzungswiderstandes und des Anpassungstransformators wird ausgehend vom Anfangsladestrom gewählt. Darüber hinaus erfolgt die Abschaltung des Ladestroms mit Hilfe von elektromagnetischen Relais, die zum Zeitpunkt der Erreichung des erforderlichen Spannungswertes an· den Klemmen der Akkumulatorenbatterie mittels einer Halbleiter-Spannungsüberwachungsschaltung eingeschaltet werden, die aus einer nichtlinearen Halbleiterbrücke und Halbleiterverstärkern besteht, die von zweipulsigen Gleichrichtern gespeist werden, an deren Ausgänge Kondensatoren zur Glättung der Pulsationen der gleichgerichteten Spannung angeschlossen sind.

Durch das Vorhandensein eines Anpassungstransformators sowie eines Begrenzungswiderstandes in dem Ladestromkreis, die bezogen auf die Aufnahmeleistung während der Anfangsladeperiode gewählt werden, werden das Gewicht und die Außenabmessungen der Ladeeinrichtung vergrößert

Das Vorhandensein eines auf der Basis eines elektromagnetischen Relais aufgebauten Schalters im Ladestromkreis trägt ebenfalls dazu bei, die Außenabmessungen der bekannten Ladeeinrichtung zu vergrößern, und die Schwellenwertschaltung zur Überwachung des Ladeschlusses ist ziemlich komplizert aufgebaut

Ferner ist eine kontakilose Ladeeinrichtung für Akkumulatorenbatterien bekannt (US-PS 40 31 450), die einen Anpassungstransformator, einen Einweg- bzw. einen Doppelweg-Wechselstromgleichrichter, einen Begrenzungswiderstand sowie einen als ein einseitig gerichteter Thyristorschalter aufgebauten Schalter, die im Ladestromkreis liegen, wie auch eine Überwachungs- und Steuereinheit enthält, die auf der Basis eines einseitig gerichteten Thyristor-Behelfsschalters aufgebaut ist. Der einseitig gerichtete Thyristor-Hauptschalter wird durch eine an seinen Steuerübergang über einen Widerstand angelegten Anodenspannung eingeschaltet während seine Abschaltung zum Zeitpunkt der Erreichung der vorgegebenen Sprjinung an den Klemmen der Akkumulatorenbatterie durch Anschließen des negativen Ladepols der Ladestromquelle, d. h. der Minusklemme des vorstehend erwähnten Gleichrichters, an den SteuerÜbergang des einseitig gerichteten Thyristorschalters mit Hilfe der Überwachungs- und Steuereinheit erfolgt. Dies wird unter Zuhilfenahme des einseitig gerichteten Thyristor-Behelfsschalters möglich, der an seiner Anode über einen Widerstand mit der Herausführung der Steuerelektrode des einseitig gerichteten Thyristor-Hauptschalters, an seiner Kathode mit dem negativen Ladepol der Ladestromquelle und an seiner Steuerelektrode mit einem an die Ladepole der Ladeeinrichtung angeschlossenen Wirkwiderstandsspannungsteiler verbunden ist.

Das Vorhandensein eines Begrenzungswiderstandes im Ladestromkreis der beiden vorstehend erwähnten Ladeeinrichtungen, sowie ein bedeutendes Gewicht und beträchtliche Außenabmessungen des Anpassungstransformators sind dadurch bedingt, daß die vorgese- hene Leistung des Anpassungstransformators und des Begrenzungswiderstandes durch die von der Akkumulatorenbatterie während der Anfangsladeperiode aufgenommene Leistung bestimmt wird.
Während der Anfangsladeperiode ist die Aufnahmeleistung maximal. Je nach der Verminderung des Ladestroms infolge des Anstiegs der elektromotorischen Gegenkraft an den Klemmen der Akkumulatorenbatterie wird die Aufnahmeleistung auf einen Bruchteil herabgesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Aufladen von Akkumulatorenbatterien zu entwickeln, in der durch Anwendung von Pulsbreitenmodulation der Ladestromstärke die mittlere Elektroenergieaufnahmeleistung zu Anfang des Ladevorgangs

so bis zum mittleren Leistungspegel während der zeitlieh , längsten Hauptladeperiode verringert wird, wodurch es möglich wird, das Gewicht und die Außenabmessungen des Anpassungstransformators und der gesamten Ladeeinrichtung zu vermindern.

S5 Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einer Ladeeinrichtung zum Aufladen von Akkumulatorenbatterien, die einen eingangsseitigen Anpassungstransformator, an dessen Sekundärwicklung ein Lade-

Stromkreis mit einem Halbleitergleichrichter, einem Ladeschlußschalter und einer Schwellenwertschaltung zum Bestimmen des Ladeschiußzeitpunktes angeschlossen ist, die einen Thyristor mit an den negativen Ladepol angeschalteter Kathode und einen Spannungsteiler aus Wirkwiderständen enthält, der an seiner Mittenanzapfung mit der Steuerelektrode des Thyristors und an seinen Enden mit dem positiven bzw. mit dem negativen Ladepol der Ladeeinrichtung verbunden ist, gemäß der Erfindung der Ladeschlußschalter aus einem Bimetallstreifen, aus einem mechanisch mit diesem verbundenen Öffnungskontakt, der im Ladestromkreis in Reihe mit dem Bimetallstreifen zwischen dem Verbindungspunkt zwischen der Kathode des Halbleitergleichrichters und der Schwellenwertschaltung einerseits und dem positiven Ladepol andererseits liegt, und aus einem zum Erwärmen des Bimetallstreifens bestimmten Drahtwiderstand besteht, der zwischen der Kathode des Halbleitergleichrichters und der Anode des Thyristors in der Schwellenwertschaltung liegt

Durch das Vorhandensein eines Ladaschlußschalters in der Ladeeinrichtung, der in Form eines m^:t einem Öffnungskontakt mechanisch verbundenen und mit diesem im Ladestromkreis zum Aufladen der Akkumulatorenbatterie in Reihe geschalteten Bimetallstreifens ausgeführt ist, wird es möglich, die Pulsbreitenmodulation des Ladestroms während der Anfangsladeperiode bis zu einem vorgegebenen Wert sicherzustellen, der dessen mittleren Wert während der zweiten und !angdauernden Ladeperiode nicht übersteigt. In dieser Weise stellt die Ladeeinrrichtung durch Verlängerung der Ladezeit während der Anfangsladeperiode (um ca. 10 bis 15%) die Verringerung der vorgesehenen Leistung des Anpassungstransformators bis zum mittleren Leistungspegel während der Hauptladeperiode sicher. Dabei entfällt die Notwendigkeit, einen Begrenzungswiderstand einzusetzen.

Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, das Gewicht und die Außenabmessungen der gesamten Ladeeinrichtung zv verringern.

In der Zeichnung ist die Erfindung anhand von Beispielen veranschaulicht; es zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschaltbild für eine erste Ladeeinrichtung für Akkumulatorenbatterien;

Fig.2 ein Prinzipschaltbild für eine andere Ausführungsvariante einer Ladeeinrichtung;

F i g. 3 den Ladestromverlauf während des Aufladens einer Akkumulatorenbatterie mit einer Ladeeinrichtung der in F i g. 1 und 2 gezeigten Art

Die dargestellte Ladeeinrichtung in ihrer vorzugsweisen Ausführungsvariante kommt vorwiegend in Fahrzeugen zur Anwendung, wc häufig die Notwendigkeit besteht, die Akkumulatorenbatterien aus einer Wechselstromquelle aufzuladen. Gemäß dieser Ausführungsvariante enthält die Ladeeinrichtung für Akkumulato- renbatterien einen Anpassungstransformator 1 (Fig. 1), dessen Primärwicklung 2 an Eingangsklemmen 3 und 4 der Ladeeinrichtung angeschlossen ist. Die Sekundärwicklung 5 dieses Anpassungstransformacors 1 ist mit einem Ladestromkreis zum Laden einer Akkumulatorenbatterie 6 verbunden. Dieser Lädestromkreis wird durch einen Halbleitergleichrichter 7 zum Erzeugen einer einseitig gerichteten pulsierenden Spannung sowie einen Ladeschlußschalter 8 gebildet Die in F i g. 1 dargestellte Diode stellt eine Aüsführungsvariante für den Halbleitergleichrichter 7 dar und dient zur Einweggleichrichtung der Spannung. Für die Fachleute auf diesem Gebiet der Technik ist es offenkundig, daß anstatt

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50 der besagten Diode ein beidspielsweise als Brückenschaltung ausgeführter Doppelweggleichrichter eingesetzt werden kann.

Der Schalter S besitzt einen Bimetallstreifen 9, dessen eines Ende mit der Kathode des Gleichrichters 7 und dessen anderes Ende mit einem Öffnungskontakt 10 mechanisch verbunden ist Der Bimetallstreifen 9 liegt mit dem Öffnungskontakt 10 in Reihe im Ladestromkreis zum Laden der Akkumulatorenbatterie 6 zwischen dem Verbindungspunkt der Kathode des Gleichrichters 7 und der Schwellenwertschaltung 11 einerseits und dem positiven Ladepol 12 der Ladeeinrichtung andererseits. Der negative Ladepol 13 der Ladeeinrichtung ist unmittelbar an die Sekundärwicklung 5 des Anpassungstransformators 1 angeschlossen.

Der Schalter 8 weist ferner einen Drahtwiderstand 14 zum Aufwärmen des Btmetallstreifens 9 auf. Dieser Drahtwiderstand 14 kann auf den Bimetallstreifen 9 aufgewickelt auf diesem verlegt oder in ähnlicher Weise angeordnet .sein. Bei jeder Befestigungsvariante soll aber zwischen dem Drahtwiderstand LA und dem Bimetallstreifen 9 ein thermischer Kontakt bestehen.

Die Schwellenwertschaltung 11 zur Ermittlung des Zeitpunktes des Ladeschlusses enthält einen Thyristor 15, der mit seiner Kathode an den negativen Ladepol 13 der Ladeeinrichtung und mit seiner Steuerelektrode an die Mittenanzapfung eines Wirkwiderstandsspannungsteilers 16 angeschlossen ist Die Enden des Wirkwiderstandsspannungsteilers 16 sind an die Ladepole 12 und 13 der Ladeeinrichtung angeschlossen.

Zwischen der Anode des Thyristors 15 und der Kathode des Halbieitergleichrichters 7 ist der vorstehend erwähnte Drahtwiderstand 14 geschaltet.

Für den Ausgleich der Entladung der Akkumulatorenbatterie 6 kann an den Wirkwiderstandsspannungsteiler 16 bei geöffnetem Kontakt 10 durch Einspeisen der Akkumulatorenbatterie 6 dem Öffnungskontakt 10 ein Widerstand 17 parallelgeschaitet werden.

In den Anodenstromkreis des Thyristors 15 ist ferner als Ladeschlußindikator beispielsweise eine Anzeigelampe 18 eingeschaltet

Anstatt der Diode 7 kann eine Gleichrichterbrücke 19 (F i g. 2) als Halbleitergleichrichter eingesetzt werden.

Zur Änderung der Spannung, auf welche die Akkumulatorenbatterie 6 in den vorgegebenen Grenzen aufgeladen wird, ist es zweckmäßig, den Wirkwiderstandsspannungsteiler 16 mit einem veränderbaren Widerstand 20 und zwei Widerständen 21 und 22 mit unveränderbarem Widerstandswert zu bestücken, von denen einer, nämlich der Widen; tand 22 dem Steuerübergang des Thyristors 15 parillelgeschaltet ist

Zur Temperaturkompensation ist es zweckmäßig, ei nen Heißleiter 23 einzusetzen, der mit dem Widerstand 22 .nit unveränderbarem Widerstandswert des Wirkwiderstandsspannungsteilers 16 und dem Steuerübergang des Thyristors 15 parallelgeschaltet ist.

Bei Ladestromdurchgang durch den Bimetallstreifen 9 kommt es infolge der elektrischen Verluste zur Erwärmung dieses Streifens, wodurch sich seine geometrischen Abmessungen ändern, er sich durchbiegt und den Öffnungskontakt 10 öffnet.

Die Dauer des eingeschalteten sowie des ausgeschalteten Zustands des Öffnungskontaktes 10 hängt von der Größe des durch den Bimetallstreifen 9 fließenden Ladestroms ab. Je groß,τ die Ladestromstärke ist, desto schneller kommt es zur Öffnung des Kontaktes 10 durch den Bimetallstreifen 9, und desto langer wird sich die Ladeeinrichtung in ausgeschaltetem Zustand befinden.

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Das Schließen und öffnen des Kontaktes 10 des Schalters 8 durch den Ladestrom infolge der Aufwärmung und Abkühlung des Bimetallstreifens 9 erfolgt nach dem Gesetz der Pulsbreitenmodulation in der Weise, daß einem größeren Stromieffektivwert eine kleinere Zeit für den Stromdurchfluß und umgekehrt einem kleineren Stromeffektivwert eine größere Zeit mit Stromdurchfluß über den Bimetallstreifen entspricht (siehe F i g. 3, Kurve »a«). Bei einem solchen Ladestromwendungsgesetz arbeitet der Aripassungstransformator 1 (F i g. 1) in einem Betrieb, der es gestattet, dessen mittlere Leistung zu variieren und auf den Einsatz eines Begrenzungswiderstandes zu verzichten, d. h. dessen Ge- ] wicht und Außenabmessungen herabzusetzen. Dabei j kommt es gleichzeitig zu einer Steigerung der Betriebs- is sicherheit der Bauelemente der Ladeeinrichtung, weil die Möglichkeit eines dauerhaften Stromdurchfließens über die Bauelemente der Ladeeinrichtung bei einem · 1|

cvciKuciioii KuiiSCniuu prinzipiell üUbgeschloiien wird.

Bei Verringerung des Ladestroms bis zum vorgegebenen Wert wird die Temperatur des Bimetallstreifens 9 unzureichend für die Erzeugung einer für das öffnen des Kontaktes 10 erforderliche Kraft.

Nachdem die Spannung an der Akkumulatorenbatterie 6 und entsprechend am Wirkwidcrstandsspannungsteiler 16 den vorgegebenen Wert erreicht hat, wird der Thyristor 15 eingeschaltet, der Spannung an die Anzeigelampe 18 und an den Drahtwiderstand 14 angelegt. Durch den letzteren wird der Bimetallstreifen 9 aufgewärmt, der daraufhir den Konitakt 10 öffnet.

Ohne Betriebsstörungen brennt die Anzeigelampe 18 während des Aufladens einer Akkumulatorenbatterie nicht. Wenn am Schluß des Ladevorgangs der Thyristor 15 eingeschaltet wird, leuchtet die Anzeigelampe 18 wieder auf.

Die Kompensation der Stromableitung aus der Akku-

millatnrpnHattprip» fi fihpr den λλ/irlf n/iHf*rc ta nHccnnn.

nungsteiler 16 wird dadurch erreicht, daß bei geöffnetem Kontakt 10 der Nachladestrom über den Widerstand 17 durchfließt. Der Widerstandswert dieses Widerstandes 17 wird ziemlich groß, d. h. zu einigen Kiloohms gewählt

Bei der Umschaltung der Ladeeinrichtung vom Nachladebetrieb auf Ladebetrieb wird die Anzeigelampe 18 entsprechend ein- und ausgeschaltet

Infolge der Verwendung des Bimetallstreifens 9 kann auf den Einsatz des Begrenzungswiderstands verzichtet werden, und durch die Verlängerung der Ladezeit der Akkumulatorenbatterie auf dem ersten Abschnitt der Betriebskennlinie / = f(t) (Kurve »a«) (F i g. 3) wird es möglich, die von der Akkumulatorenbatterie aus dem Stromversorgungsnetz aufgenommene elektrische Leistung im Vergleich zu der bekannten Ladeeinrichtung (Kurve »b«) herabzusetzen, was es ermöglicht, die vorgesehene Leistung des Anpassungstransformators der mittleren Aufnahmeleistung während der Hauptladeperiode anzupassen und somit das Gewicht und die Außenabmessungen des Anpassungstransformators zu vermindern.

Durch die Abwesenheit des Begrenzungswiderstandes sowie durch kleine Werte für Gewicht und Außenabmessungen des Anpassungstransformators wird es möglich, das Gewicht und die Außenabmessungen der gesamten Ladeeinrichtung zu verringern.

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Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Ladeeinrichtung für Akkumulatorenbatterien mit einem eingangsseitigen Anpassungstransformator, an dessen Sekundärwicklung ein Ladestromkreis mit einem Halbleitergleichrichter, einem Ladeschlußschalter und einer Schwellenwertschaltung zum Bestimmen des Ladeschlußzeitpunktes angeschlossen ist, die einen Thyristor mit an den negativen Ladepol angeschalteter Kathode und einen Spannungsteiler aus Wirkwiderständen enthält, der an seiner Mittenanzapfung mit der Steuerelektrode des Thyristors und an seinen Enden mit dem positiven bzw. mit dem negativen Ladepol verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladeschlußschalter (8) aus einem Bimetallstreifen (9), aus einem mechanisch mit diesem verbundenen Offnungskontakt (10), der im Ladestromkreis in Reihe mit dem Bimetallstreifen (9) zwischen dem Verbindungspunkt zwischen der Kathode des Halbleitergleichrichters (7; 19) und der Schwellenwertschaltung (11) einerseits und dem positiven Ladepol (12) andererseits Hegt und aus einem zum Erwärmen des Bimetallstreifens (9) bestimmten Drahtwiderstand (14) besteht, der zwischen der Kathode des Halbleuergleichrichters (7; 119) und der Anode des Thyristors (15) in der Schwellenwertschaltung (11) liegt.