DE3036092A1

DE3036092A1 - Batterieladesystem

Info

Publication number: DE3036092A1
Application number: DE19803036092
Authority: DE
Inventors: Willi 7014 Kornwestehim Gansert; Edgar 7016 Gerlingen Kuhn; Ulrich 7125 Kirchheim Munz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1980-09-25
Filing date: 1980-09-25
Publication date: 1982-05-06
Also published as: JPS57116552A; FR2490890B1; GB2084358A; FR2490890A1; GB2084358B

Description

»· 6 57 0

Chr/Jä II.8.198O

Robert Bosch GmbH, 7OOO .Stuttgart

Batterieladesystem.
Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Batterieladesystem nach der Gattung des Hauptanspruchs. In Batterieladesystemen, die als Generator einen permanentmagnet- , erregten Generator umfassen, kann die Spannungsregelung auf verschiedene Weise erfolgen. Eine Möglichkeit ist, einen Längsregler vorzusehen mit einem Hauptstromschalter im Längszweig, eine andere Möglichkeit ist eine Querregelung mit einem Hauptstromschalter im Querzweig. Auch die Kombination von beiden Regelarten ist möglich: Bei den bisherigen Systemen ist eine störungsfreie Funktion insbesondere in dem Fall, wenn das System ohne eine Batterie betrieben wird, nicht gewährleistet, weil bei den Schaltvorgängen hohe Spitzenspannungen auftreten.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Batterieladesyötein mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und der Uebenansprüche hat demgegenüber den Vorteil, -daß

nur eine geringe Verlustleistung entsteht und nur eine kleine Steuerleistung "benötigt wird. Bei Lastabschaltungen in einem System ohne eine Batterie werden die. auftretenden Spannungsspitzen ausgeregelt und vom Bordnetz abgetrennt. Als weiterer Vorteil ist anzusehen', daß keine "besonderen Schalteinrichtungen für den Überspannungsschutz erforderlich sind.

Durch die in den·Unteransprüchen aufgeführten HaS-nahmen' sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Batterieladesystems möglich. Besonders vorteilhaft ist, daß entsprechend der geforderten Systemleistung problemlos mehrere MOSFET parallel geschaltet werden können, ohne daß die Ansteuerschaltung geändert werden müßte oder zusätzliche Symmetrier glieder nötig wären. Schließlich ist ein Betrieb mit Generatoren möglich, die mit Dauermagneten erregt werden.

Zeichnung

Drei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren 1 bis 3 der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt einen permanent erregten Dreiphasen-Generator 3 1, dem ein Drehstrom-Brückgleichrichter nachgeschaltet ist. Die Ausgangsleistung steht am Gleichleistungs-Ausgang 13 für das nachfolgende Bordn.etz zur Verfugung, Vom Gleichleistungs-Ausgang zum Anschluß B+ einer Batterie 1k führt eine Verbindungsleitung 15· An die Gatterie-Anr.chl\iP.klem",e 3+

sind über einen Schalter 16 Verbraucher 17 angeschlossen. Das Batterieladesystem enthält weiter einen Spannungsregler 18. Wie der Gleichrichter 1.2,. die Batterie 1h und die Lasten 17 ist auch der Spannungsregler mit einer Leitung an die Masseverbindung 19 angeschlossen. Die Spannungsversorgung des Reglers 18 erfolgt über eine'Spannungsversorgungsleitung 21, die ihrerseits über einen Fahrschalter 22 an die Verbindungsleitung 1-5 angeschlossen ist.. · ■

Der Spannungsregler 18 enthält zunächst eine Steuerstufe 23 üblicher Bauart. Des weiteren ist eine Anzeigestufe 2it vorgesehen, die in bekannter Weise über eine Ladekontrollampe 25 Aufschluß über die Ladevorgänge ermöglicht. Ein wesentlicher Bestandteil des Spannungsreglers 18 ist der im'Verlauf der Verbindungsleitung 15 angeordnete MOSPET 26. Dabei ist der D.rain~Anschluß D des MOSFET 26 mit dem Gleichleistungs-Ausgang 13 des Generators und der Source-Anschluß S des MOSFET 26 mit der Batterie-Anschlußklemme B+ verbunden. Das SubstratXist an den Source-Anschluß S gelegt. Der Steuerstufe 23 ist eine Schaltungsanordnung 27 zur Spannungserhöhung nachgeschaltet. Der ■_ Ausgang dieser Schaltungsanordnung 27 ist mit dem Gate-Anschluß G des MOSFET 26 verbunden. Schließlich enthält der Spannungsregler 18 noch eine-Vorrichtung 28 zur Spannungsbegrenzung,, die an den Gleichleistungs-Ausgang 13 des Generators 11 angeschlossen ist. Statt eines einzigen MOSFET 26 können - je nach dem in 'der Verbindungsleitung 1'5 fließenden Maximalstrom - deren mehrere parallel geschaltet werden. ■-."."

Die Sperrspannung der Schaltstrecke D-S de s^; MOSFET 26 muß über der beim Schalten maximal auftretenden

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AusgangEspannung des Generators 11 l.i ugcn. Die Vorrichtung 27 zur Spannungsbegrenzung ist zum Abfangen der durch die Strominduktivität des Generators hervorgerufenen Spannungsspitzen nicht unbedingt erforderlich, aber zweckmäßig, und kann beispielsweise durch eine Zenerdiode realisiert werden. Die Steuerstufe 23 bezieht ihre Steuerspannung zweckmäßigerweise von der Batterie-Anschlußklemme B+. Die Steuerstufe 23 braucht nur eine sehr geringe . Steuerleistung abgeben, sie kann daher durch eine IC- oder durch eine Hybridschaltung mit einem entsprechenden Ansteuer-IC realisiert werden. Die Schaltungsanordnung 27 zur Spannungserhöhung ist bei einem Längsregler deshalb erforderlich,. weil zum Ansteuern des MOSFET zwischen seinem Gate-Anschluß G und seinem Source-Anschluß S eine Steuerspannung von etwa 10 V benötigt wird.

Durch das Betätigen des Fahrschalters 22 wird an die Steuerstufe 23 und an die Schaltungsanordnung zur Spannungserhöhung über die Spannungsversorgungsleitung 21 die Batteriespannung gelegt, .Die Steuerstufe 23 steuert den MOSFET 26 leitend, wenn die Bordnetzspannung an der Batterie-Anschlußklemme B+ unter der vorgesehenen Regelspannung liegt. Wenn der Generator 11 in Betrieb ist und seine Angehdrehzahl überschritten hat, beginnt Strom über die Verbindungsleitung 15 zur Batterie 1h zu fließen. Überschreitet nun die Bordnetzspannung an der Batterie-Anschlußklemme B+ die Regelspannung, sperrt die Steuerstufe 23 über die Schaltungsanordnung 27 den MOSFET 26 und trennt damit den Generator 11 von der Batterie 1 U. Die über der Schaltstrecke D-S des MOSFET 26 stehende Spannung kann durch eine

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SpannungEspitze überlagert werden, die durch die S^roEiinduktivität des Generators 11 verursacht ist, Eine solche Spannungsspitze kann durch die Schaltung 28 :ur Spannungsbegrenzung am Drain-Anschluß D. des MOSFET 26 geklammert werden.

Fig. 2 zeigt ein Batterieladesystem mit einem Querregler. Gleiche Bauteile sind nit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. Der Ausgang der Steuerstufe 23 ist jetzt mit dem Gate—Anschluß G eines MOS-FET 26b verbunden, dessen Schaltstrecke D-S parallel zum Gleichleistungsausgang 13, -19 ₅ des Generators und Masse ] 9 liegt,'Auch.-bei diesem '_' Ausführungsbeispiel können je nach Bedarf mehrere MOSFET 26b parallel geschaltet werden. Die Sperrspannung der Schaltstrecke D-S des MOSFET 26b muß hier - im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel lediglich über der maximal auftretenden Bordnetzspannung, also der Ausgangsspannung des Generators 11 an der Klemme 13» liegen. Eine Schaltungsanordnung zur Erhöhung der Klemmenspannung-.der Batterie 14 ist bei diesem Ausführungsbeispiel nicht erforderlich, da durch die Klemmenspannung der Batterie. Ik stets ein Potential ausreichender Höhe gegen Masse zur Verfügung steht. Auch hier kann der Spannungsregler 23 durch eine IC- oder eine Hybridschaltung mit Steuer.-IC realisiert sein. Beim zweiten Ausführungsbeispiel muß eine Entkoppeldiode 29 vorgesehen werden, die die Schalt strecke D-S von' der Batterie 1U entkoppelt.

Auch bei diesem zweiten Ausführung.sbei spiel wird das 5ordnetz vor Überspannungen geschützt, wenn das System ohne eine Batterie 1k betrieben wird und eine Last a Lctiüchallet wird, und swar ohne daß zusätzliche Schalteinrichtungen nötig wären. ■ ■

BAD ORIGINAL

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Beim Betätigen des Fahrschalters 22 wird die Versorgungsspannung an den Regler 18 angelegt. Ist die Bordnetzspannung, beispielweise also auch die Klemmenspannung der Batterie 1^, kleiner als die vorgegebene Regelspannung, bleibt die Schaltstrecke des MOSFET 2ob gesperrt. Erreicht der Generator 11 seine Angehdrehzahl, beginnt der Strom an die Batterie 1k abzugeben. Übersteigt die Bordnetzspannung nun die Regelspannung, steigt die Steuerspannung am Gate-Anschluß G des MOSFET 26b auf einen solchen Wert, der die Schaltstrecke D-S · leitend steuert und damit den Generator-Ausgang 13, 19 praktisch kurzschließt. Über der Schaltstrecke D-S des MOSFET 26b bleibt nur noch eine kleine Restspannung stehen und die Entkoppeldiode 29 wird gesperrt. Damit wird der Generator 11 von der Verbindungsleitung 15 und damit vom Bordnetz getrennt.

Bei Lastabschaltungen ohne eine Batterie 1 It- kann eine Spannungsspitze am Ausgang 13, 19 des Generators 11 nicht auftreten_s daß sie über die Schaltstrecke D-S des MOSFET 26b praktisch kurzgeschlossen wird,

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem sowohl die Längsregelung als auch die Querregelung verwirklicht ist. Von der Steuerstufe 23 wird der parallel zum Ausgang 13, 19 des Generators 11 geschaltete MOSFET 26b direkt und der in der Verbindungsleitung 15 zwischen dem Gleichleistungs-Ausgang 13 des Generators 11 und der Batterie 1h liegende MOSFET 26a über eine Schaltungsanordnung 27 zum Erhöhen der Klemmenspannung der Batterie 1h angesteuert. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel können jeweils mehrere MOSFET 26 parallel geschaltet werden. Von Vorteil ist hier, daß die Sperrspannung sowohl des Längs-MOSFET 26a als auch des Quer-MOSFET 26b - nur - so hoch zu wählen sind, daß sie über der normal üblichen Bord-

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netzspannung liegen. MOSFET-Typen mit einer niedrigeren Sperrspannung haben einen höheren zulässigen Dauerstrom bei niedrigerem Bahnwiderstand im Vergleich zu Typen mit höherer' Sperrspannung. Beim dritten Ausführungsbeispiel ist noch eine Schaltstufe 31 vorgesehen, die ge-· währleistet, daß einerseits dann, wenn der Längs-MOSFET 26a leitend ist, der Quer-MOSFET 26b gesperrt ist, und daß der Quer-MOSFET . 26b dann, -wenn der Längs-MOSFET 26a gesperrt ist, erst dann leitend gesteuert wird, wenn die .an seiner Schaltstrecke D-S liegende Spannung einen vorbestimmten .Wert überschreitet.

Über eine Sensing-Leitung 32 ist ein Eingang der Steuerstufe 23 des Spannungsreglers mit dem Gleiehleistungs-Ausgang 13 des Generators 11 verbunden.

Nach dem Betätigen des Fahrschalters 22 wird an die Steuerstufe 23, die Anzeigeschaltung 2k, die Schaltungsanordnung 27 zur Spannungserhöhung und die Schaltstufe 31 die Versorgungsspannung angelegt. Liegt die Bordnetaspannung unter der Regelspannung, wird der Quer-MOSFET 26b gesperrt und der Längs-MOSFET 26a leitend gesteuert. Überschreitet die Regelspannung durch die Stromabgabe des Generators 11 den vorgegebenen Wert, wird der Längs-MOSFET 26a gesperrt. Der Quer-MOSFET 26b bleibt gesperrt, wenn und solange das Potential am Drain-Anschluß D der beiden MOSFET 26a, 26b kleiner als die maximal zulässige Sperrspannung ist. Ist die Drehzahl des Generators sehr hoch und liegt damit die Generatorleerlaufspannung - also bei nicht leitendem Längs-MOSFET 26a - über der maximal zulässigen Sperrspannung der beiden MOSFET 26, danrj schaltet der Spannungsregler 23 über die Sensing-Leitung 32 auf Querregelung und steuert den Quer-MOSFET 26b leitend.

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Auch beim dritten Ausführungsbeispiel können MOSFETs 2β mit niedriger Sperrspannung verwendet werden. Die "MOSFETs mit niedriger Sperrspannung haben einen höheren maximal zulässigen Dauerstrom bei gleichzeitig niedrigerem Durchlaßwiderstand als MOSFETs höherer Sperrspannung. Damit arbeitet der Spannungsregler 18 mit einer geringen Verlustleistung und es sind wenige Leistungsbauteile erforderlich. Außerdem ist die gesamte Verlustleistung des Generatorsystems sehr gering, da der Spannungsregler 18 bis zu einer vorgegebenen Sperrspannung als Längsregler arbeitet.

Claims

»ι* η β

R. 6 5 70

Chr/Jä 11.8.198Ο

Robert Bosch GmbH,' TOOO Stuttgart 1

Ansprüche

ί 1 .J Batterieladesystem mit einem permanent erregten Generator (11 ), gegebenenfalls mit einem dem Generator· nachgeschaltetem Gleichrichter (12) und mit einem Spannungsregler (18), dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregler· eine Steuerstufe (23) und einen von der Steuerstufe (23) gesteuerten MOSFET (26a) umfaßt und in der Verbindungsleitung (I5) zwischen dem Gleichleistungs-Ausgang (13) des Generators (11) und der Anschlußklemme (B+) der Batterie (1h) die Schaltstreeke (D-S) des MOSFET (26a) liegt.
2. Batterieladesystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregler (18) -weiter eine Schaltungsanordnung (27) zur Erhöhung der Klemmenspannung der Batterie (Tk) umfaßt und daß der Steueranschluß (G) des MOSFET (26a) mit dem Ausgang dieser Schaltungsanordnung (27) verbunden ist.

» w ν 4 * ν *> «ι
3. Batterieladesystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Gleichleistungs-Ausgang (13, 19) des Generators (11) eine Vorrichtung ('28) zur Spannungsbegrenzung geschaltet ist.
k. Batterieladesystem mit einem permanent erregten Generator ( 1 1 ), ,^gegebenenfalls mit einem dem Generator ^w nachgeschaltetem Gleichrichter (12) und mit einem Spannungsregler (18), dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregler (l8) eine Steuerstufe (23) und einen von der Steuerstufe (23) gesteuerten MOSFET (26t) umfaßt und daß die Schaltstrecke (D-S) des MOSFET (26b) parallel zum Gleichleistungs-Ausgang (13, 19) des' Generators (11 ) liegt. ·
5· Batterieladesystem nach Anspruch h, dadurch gekenn-. zeichnet, daß in der Verbindungsleitung (15) zwischen dem Gleichleistungs-Ausgang (13) des Generators (11) und der Anschlußklemme (B+) der Batterie (lh) eine Entkoppeldiode (29) geschaltet ist.
6. Batterieladesystem mit einem permanent erregten Generator (11 ), .gegebenenfalls mit einem dem Generator nachgeschaltetem Gleichrichter (12) und mit einem Spannungsregler (18), dadurch gekennzeichnet, daß

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der Spannungsregler (J8) eine Steuerstufe (23} und zwei von der Steuerstufe (233 gesteuerte MOSFETs (26a, 26b) umfaßt, von denen die Schaltstrecke (D-S) des' einen (26a) in der Verbindungsleitung (J 5 j -zwischen dem Gleichleistungs-Ausgang (J3) des'Generators (33) und der Anschlußklemme (B+) der Batterie (ji») und die Schaltstrecke (D-S) des anderen (26b) parallel zum Gleichleistungs-Ausgang (.13, 39) des Generators (3 3) liegt,
7. Batterieladesystem nach Anspruch 6, dadurch gekenn^ zeichnet, daß der Spannungsregler (3 8) weiter eine Schaltungsanordnung (27) zur Erhöhung der Klemmenspannung der Batterie (J¹O umfaßt und daß der Steueranschluß (G) des einen MOSFET (26a) mit dem Ausgang dieser Schaltungsanrodnung (27J verbunden ist,