DE3141622C2

DE3141622C2 - "Einrichtung zur Inbetriebsetzungsladung von Sekundärelementen"

Info

Publication number: DE3141622C2
Application number: DE3141622A
Authority: DE
Inventors: Peter 8190 Wolfratshausen Gürlich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-10-20
Filing date: 1981-10-20
Publication date: 1984-07-05
Also published as: DE3141622A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Ladung wenigstens einer in Betrieb zu setzenden Batterie (4), wobei die in Betrieb zu setzende Batterie während eines Ladungsvorganges geladen und anschließend wieder entladen wird. Es ist eine Speicherbatterie (3) vorgesehen, der während des Ladevorganges über eine Leitung (31) durch einen DC-DC-Wandler (1) Ladung entnommen wird. Die entnommene Ladung wird über eine weitere Leitung (41) vom DC-DC-Wandler (1) der in Betrieb zu setzenden Batterie (4) zugeführt. Die während des Entladevorganges durch den DC-DC-Wandler (1) der in Betrieb zu setzenden Batterie (4) entnommene Ladung wird durch den DC-DC-Wandler (1) der Speicherbatterie (3) zugeführt. Ein Steuerteil (2) führt dem DC-DC-Wandler (1) Steuersignale zur Enleitung des Lade- oder Entladevorganges zu. Mit der Hilfe dieser Einrichtung kann bei der Inbetriebsetzungsladung Energie eingespart werden.

Description

1. der elektronische Umformer ein Gleichstromwandler (1) ist, bestehend aus

1.1. einem Transformator (15,16),

1.2. zwei getrennt für L^de- und Entiadebctrieb ansteuerbaren Zerhackern (13,14) an Primär- und Sekundärseite des Transformators,

1.3. je einem antiparallel zu den Zerhackern geschalteten Einweggleichrichter (18,19),

2. und daß die Stromversorgung besteht aus

2.1. einem am Versorgungsnetz angeschlossenen Netzteil (7) mit Gleichspannungsausgang, und

2.2. einer dazu parallel geschalteten Speicherbatterie (3) zur Aufnahme der Rückspeiseleistung.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Zerhacker (13,14) bipolare Transistoren vorgesehen sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als bipolare Transistoren Darlington-Transistoren vorgesehen sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichne;, daß die Impulsfolgefrequenzen für die Zerhacker (13, 14) gleich groß sind.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Inbetriebsetzungsladung von Sekundärelementen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Im Zusammenhang mit der Inbetriebsetzungsladung von Sekundärelementen, die dem Formierungsvorgang der Erstlad jng entspricht, ist es erforderlich, ein Sekundärelement jeweils eine vorgegebene Zeit zu laden, anschließend zu entladen und schließlich wieder eine vorgegebene Zeit zu laden.

Aus der Druckschrift »Elektroanzeigcr«, Bd. 19, 1966, Heft 1, Seiten 13 und 14 ist eine Einrichtung zur lnbetriebsetzungsladung von Sekundärelementen bekannt, bei der Batterien zum Formieren in einem bestimmten Zyklus geladen und entladen werden. Dabei wird die in den Entlad8zyklen frei werdende Energie an das Net/, zurückgespeist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zur Inbctricbset/.ungsladung von Sekundärelementen anzugeben, durch die im Vergleich zur bekannten Ijnrichiung Laststöße im Versorgungsnetz vermieden werden können.

Diese Aulgabe wird durch eine Einrichtung der eingangs genannten Art gelost, die durch die in dem kenn zeichnenden Teil des Palentanspruches 1 angegebenen Merkmale cekenn/eichnel ist.

Aus der US-PS 39 86 097 ist ein Gleichstromwandler an sich bekannt, bei dem die beiden Zerhacker ständig angesteuert werden und sich die Energieflußrichtung frei einstellt.

Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteh! darin, daß bei kleinen Bauteileabmessungen und einem guten Wirkungsgrad eine optimale Baudichte erreichbar ist.

Der möglichen Energieeinsparung kommt auf Grund der vorliegenden Energieknappheit eine wesentliche Bedeutung zu.

Vorieilhafterweise sind bei der Erfindung keine Entladceinrichtungen erforderlich, wie dies beim Stand der Technik der Fall ist.

Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung ist es vorteilhafterweise möglich, den Lade- bzw. Entladestrom nach der für Inbetriebsetzungsladungen optimalen Kennlinie / = const vorzuwählen. Ebenso kann der zeitliche Ablauf des Lade- und des Entladevorgangs vorgewählt werden.

Darüber hinaus ist es möglich, durch den zusätzlichen Einsatz eines Rechners Lade- und Entladevorgänge energicbilanzmäßig zu optimieren.

Im folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Blockschaltbild zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung;

Fig 2 das Schaltbild eines DC-DC-Wandlers, der Energien in beide Richtungen wandeln kann; und

Fig. 3 das Blockschaltbild einer Weiterbildung der Erfindung.

In der F i g. 1 ist ein DC-DC-Wandler, dessen Aufbau weiter unten im Zusammenhang mit der Fig. 2 näher erläutert wird, mit 1 bezeichnet. Über eine Leitung 31 ist der eine Pol einer Summcnbattcrie bzw. einer Speicherbatterie 3 mit dem DC-DC-Wandler verbunden. Der andere Pol dieser Speicherbatterie ist beispielsweise mit Masse verbunden. Bei der Speicherbatterie 3 handelt es sich um die Batterie, der beim Ladevorgang der in Betrieb zu setzenden Batterie 4 Energie entnommen wird. Der eine Pol der in Betrieb zu setzenden Batterie 4 ist über ein;.- Leitung 41 mit dem DC-DC-Wandler 1 verbunden. Der andere Pol dieser Batterie ist ebenfalls vorzugsweise mit Masse verbunden. Durch das Steucrteil 2 wird der gesamte Ablauf beim anfänglichen Laden der in Betrieb zu setzenden Batterie 4, beim anschließenden Entladen der in Betrieb zu setzende;) Batterie 4 und beim erneuten Laden dieser Batterie gesteuert. Zu diesem Zweck ist das Steuerteil 2 über Leitungen 21,22 mit dem IX'-DC-Wandlcr 1 verbunden. Dabei wird über eine dieser Leitungen, z. B. über die Leitung 21 von dem Steucrteil 2 die Information an den DC-DC-Wandler 1 geliefert, die zum Laden der in Betrieb zu setzenden Batterie 4 führt. Über die andere Leitung 22 wird vom Steueiieil 2 die Information an den DC-DC-Wandler 1 geliefert, die zum Entladen der in Betrieb zu setzenden Batterie 4 führt. Durch eine Strommeßeinrichtung 5. die über eine Leitung 42 mit der in Betrieb zu setzenden Batterie verbunden und zwischen den anderen Pol dieser Batterie und Masse geschaltet ist, wird der Ladungszustand der in Betrieb zu setzenden Batterie 4 ermittelt. Eine Inlormaiion über den Ladungszustand wird über die I.eiuing 24 an das Steueiieil 2 geliefert. In der entsprechenden Weise wird der Ladungszustand der Speicherbatterie 3 durch die Stromineßeinrichlung 6 ermittelt, die über die Leitung 32 mit der Speicherbatterie verbunden und /wischen ilen anderen Pol der Speicherbatterie 3 und Masse geschaltet ist. Die Information

über den Ladungszustand der Speicherbatterie 3 wird über die Leitung 23 an das Steuertet! 2 geliefert.

Die vorliegende Erfindung arbeitet nach dem folgenden Prinzip. Beim ersten Aufladen der in Betrieb zu setzenden Batterie 4 werden durch das Steuer teil 2 über die Leitung 21 Pulse einer vorgegebenen Impulsfolgefrequenz an den DC-DC-Wandler 1 geliefert. Dies hat zur Folge, daß während jedes Impulses der an den Wandler ί angelegten Impulsreihe der Speicherbatterie

3 über die Leitung 31 Strom entnommen wird. Dieser tu entnommene 5i.rom wird, wie dies nachstehend im Zusammenhang mit der Fig. 2 näher erläutert werden wird, an die in Betrieb zu setzende Batterie 4 geliefert. Durch die Strommeßeiruichtung 5 wird der Ladungszustand der in Betrieb zu setzenden Batterie 4 angezeigt bzw. ermittelt. Wenn die in Betrieb zu setzende Batterie

4 einen vorgegebenen Ladungszustand aufweist, liefert die Strommeßeinrichtung 5 über die Leitung 24 ein Signal an das Steuerteil 2. das daraufhin die Aussendung von Impulsen über die Leitung 21 an den DC-DC-Wandler 1 einstellt. Der Ladevorgang ist nun beendet.

Um nun die in Betrieb zu setzende Batterie 4 zu entladen, sendet das Steuerteil 2 über die Leitung 22 Impulse einer vorgegebenen Impulsfolgefrequenz an den Wandler 1. Dies hat zur Folge, daß, wie dies weiter unten im Zusammenhang mit F i g. 2 näher erläutert werden wird, während jedes Impulses der über die Leitung 22 angelegten Impulsreihe der in Betrieb zu setzenden Batterie 4 Strom über die Leitung 41 entnommen wird. Gleichzeitig wird die der in Betrieb zu setzenden Batterie 4 entnommene Energie durch den Wandler 1 über die Leitung 31 der Speicherbatterie zugeführt, so daß diese Energie dort gespeichert wird und für einen erneuten Ladevorgang der in Betrieb zu setzenden Batterie 4 oder anderer in Betrieb zu setzender Batterien zur Verfügung steht. Die Strommeßeinrichtung 5 zeigt schließlich dem Steuerteil 2 über die Leitung 24 an. daß der Entladevorgang beendet ist. worauf das Steuerteil 2 die Aussendung der Impulse über die Leitung 22 einstellt. Über die Leitung 21 kann nun ein erneuter l.adevorgang eingeleitet werden.

Die Strommeßeinrichtung 6 ermittelt über die Leitung 32 den Ladungszustand der Speicherbatterie 3. Wenn der Ladungszustand der Speicherbatterie 3 einen vorgegebenen Wert unterschreitet, zeigt die Strommeßeinrichtung 6 dies über die Leitung 23 dem .Steuerteil 2 an. Durch dieses kann daraufhin bewirkt werden, daß die Speicherba'.terie 3 extern vom Netz 72 tier über einen Netzgleichrichter 7 nachgeladen wird. Zu diesem Zweck ist der Netzgleichrichter 7 über eine Leitung 25 mit dem Steuerteii 2 verbunden. Der Ausgang 73 des Nctzgleichrichters 7 ist an die Leitung 31 angeschlossen, die die Speicherbatterie 3 mit dem DC-DC-Windler 1 verbindet. Die Nachladung der Speicherbatterie 3 erfolgt — da die Kennlinie des Netzgleichriehters U = const ist — automatisch.

Im folgenden werden nun im Zusammenhang mit der F i g. 2 die Funktion und der Aufbau des DC-DC -Wandlers 1 näher erläutert.

Einzelheiten der Fig. 2, die bereits im Zusammen- «> hang mit der Fig. 1 erläutert wurden, tragen die entsprechenden Bezugszeichen. Das Kernstück des DC-DC-Wandlcrs 1 ist ein aus den Wicklungen 15 und 16 bestehender Transformator. Der eine Anschluß der einen Wicklung 16 dieses Transformators ist über die Lei- b^r> Hing 41 mit der in Betrieb zu setzenden Batterie 4 verbunden. In der entsprechenden Weise ist der eine Anschluß der anderen Wicklung 15 des Transiormaiors über die Leitung 31 mit der Speicherbatterie 3 und gegebenenfalls mit dem Netz^'leichrichter 7 verbunden. Dabei sind die Leitung 41 und die Leitung 31 jeweils mit einem Pol der in Betrieb zu setzenden Batterie 4 bzw. der Speicherbatterie 3 verbunden. Der andere Anschluß der einen Wicklung 16 des Transformators ist über eine Leitung 161. eine Diode 18 und eine Leitung 181 mit dem anderen Pol (Leitung 175) der Summenbatterie und der in Betrieb zu setzenden Batterie 4 verbunden. Beispieisweise liegt der andere Pol an Massepotential. Die Diode 18 ist derart geschaltet, daß über sie lediglich ein Strom von der Leitung 175 in Richtung auf die eine Wicklung 16 des Transformators fließen kann. In der entsprechenden Weise ist der andere Anschluß der anderen Wicklung 15 des Transformators über eine Leitung 151. eine Diode 19, und eine Leitung 191 mit der mit dem anderen Pol verbundenen Leitung 175 verbunden. Dabei ist die Diode 19 ebenfalls so geschaltet, daß über sie lediglich ein Strom von der Leitung 175 in Richtung auf die andere Wicklung 15 des Transformators fließen kann. In der aus der Fig. 2 ersichtlichen Weise ist ein elektronischer Schalter 13, bei dem es sich vorzugsweise um einen Transistor, beispielsweise um einen bipolaren Darlington-Transistor handelt, so geschaltet, daß er im leitenden Zustand einen Leitungsweg von dem anderen Anschluß der einen Wicklung 16 zu einer Leitung 17 bildet, die über beispielsweise die Diode 171 (diese Diode bewirkt ein sicheres und schnelles Sperren des Transistors 13 durch neg. Emittervorspannung) und Widerstände 173 und 174, deren Funktion später noch erläutert wird, mit dem anderen Pol bzw. mit der Leitung 175 verbunden ist. Der Leitungsweg von dem anderen Anschluß der einen Wicklung 16 des Transformators zur Leitung 17 ist durch die Leitungen 131 und 132 bezeichnet. Der Transistor 13 wird über den Anschluß 22 angesteuert, der mit der Basis des Transistors 13 verbunden ist. Bei leitendem Transistor 13 kann erreicht werden, daß ein Strom von der Leitung 41 über die eine Wicklung 16 des Transformators, die Leitung 131, den Transistor 13, die Leitung 132, die Leitung 17, die Diode 171 und die Widerstände 173 und 174 zur Leitung 175 fließt. Dieser Leitungsweg ist in der Fig. 2 durch eine gepunkiete Linie eigezeichnet. Für diese Stromrichtung sperrt die Diode 18.

In der entsprechenden Weise ist ein weiterer Transistor 14 so geschaltet, daß er in seinem leitenden Zustand eine Verbindung zwischen dem anderen Anschluß der anderen Wicklung 15 des Transformators und der Leitung 17 herstellen kann. Dabei wird diese Verbindung über die mit 141 und 142 bezeichneten Leitungen bewerkstelligt. Für diese Stromrichtung sperrt die Diode 19. Der weitere Transistor 14 ist von dem Anschluß 21 ansteuerbar.

Im folgenden wird nun die Funktion der zuvor beschriebencn Schaltung ausführlich erläutert. Wenn die mit der Leitung 41 verbundene in Betrieb zu setzende Batterie 4 in einem ersten Verfahrensschritt geladen werden soll, werden durch das Steuerteil 2 (Fig. 1) an den Anschluß 2i Impulse einer vo^rgegebenen Impulsfolgcfrequen/, die beispielsweise 20 kHz beträgt, angelegt. Bei den Impulsen handelt es sich um Rechteck-förmige Impulse Sobald der durch einen Impuls angesteuerte Tnnsisior 14 leitend wird, wird eine Verbindung von der Speicherbatterie 3 über die Leitung 31. die aiideie Wicklung 15 des Transformators, die Leitung 141, den Transistor 14, die Leitung 142, die Leitung 17, die Diode 171 und die Widerstände 173 und 174 zur Leitung 175 hergestellt. Dieser Verbindungsweg ist in der F i g. 2

durch eine strichlinierte Linie dargestellt. Dies hat zur Folge, daß der Speicherbatterie 3 über den zuvor beschriebenen Weg Strom entnommen wird. Sobald dieser impulsförmige Strom die Wicklung 15 durchfließt, wird bei jedem Impuls bei der abfallenden Flanke eines Impulses in der Wicklung 16 des Transformators eine einen Stromfluß bewirkende Spannung induziert, die von der Leitung 175 bzw. von dem anderen Pol über die Leitung 181. die Diode 18, die Leitung 161, die eine Wicklung 16 des Transformators und die Leitung 41 zur in Betrieb zu setzenden Batterie 4 führt. Dieser Strom ist durch eine strichpunktierte Linie dargestellt. Es ergibt sich, daß mit jedem an den Anschluß 21 auftretenden Rechteck-Impuls bewirkt wird, daß der Speicherbatterie 3 Strom entnommen wird und daß der in Betrieb zu setzenden Batterie Strom zugeführt wird. Dieser Vorgang wird so lange aufrechterhalten, bis die zu ladende Batterie 4 einen vorgegebenen Ladungszustand aufweist.

In dem anschließenden Entladevorgang wird eine Rechteck-Impulsreihe an den Anschluß 22 durch das Steuerteil 2 angelegt. Dabei weist die Impulsreihe vorzugsweise ebenfalls eine Impulsfolgefrequenz von 20 kHz auf. Durch jeden Impuls dieser Impulsreihe wird der Transistor 13 aufgesteuert. Dies hat zur Folge, daß Strom in Richtung der punktierten Linie aus der in Betrieb zu setzenden Batterie 4 über die Leitung 41, die eine Wicklung 16 des Transformators, die Leitung 131, den Transistor 13, die Leitung 132, die Leitung 17, die Diode 171 und die Widerstände 173 und 174 zur Leitung 175 bzw. zum anderen Pol fließen kann. Bei jeder Abfallflanke eines Entiadeimpulses an dem Anschluß 22 wird durch Induktion auch ein Stromfluß in der anderen Wicklung 15 des Transformators erzeugt. Dieser Strom fließt entsprechend der eingezeichneten, aus zwei Punkten und einem Strich gebildeten Linie von der Leitung 175 über die Leitung 191. die Diode 19, die Leitung 151, die andere Wicklung 15 des Transformators und die Leitung 31 zur Speicherbatterie 3. Dies bedeutet, daß der Speicherbatterie 3 immer dann Strom entnommen wird, wenn der zu entladenden Batterie 4 Strom entnommen wird. Auf diese Weise geht die der zu entladenden Batterie 4 entnommene Energie nicht verloren. Diese Energie wird in der Speicherbatterie 3 gespeichert und kann zu weiteren Ladevorgängen der in Betrieb zu setzenden Batterie oder mehrerer in Betrieb zu setzender Batterien verwendet werden.

im folgenden wird beispielsweise der Aufbau in der in F i g. 1 dargestellten Strommeßeinrichtung 5. die zur Erfassung des Ladungszustandes der Speicherbatterie 3 bzw. der in Betrieb zu setzenden Batterie 4 dient, beschrieben.

Sie besteht aus dem Spannungsteiler 173, 174. wobei der für den Ladungszustand charakteristische Strom in der Form einer Spannung am Widerstand 174 gemessen wird.

Zu diesem Zweck wird vorzugsweise eine geeignete Meßeinrichtung zwischen dem Anschluß 176 und die Leitung 175 geschaltet. Diese ermittelt beim Entladen den aus der in Betrieb zu setzenden Batterie 4 fließenden Strom (punktierte Linie in Fig. 2). Beim Ladevorgang ermittelt diese Strommeßeinrichtung den aus der Speicherbatterie 3 fließenden Strom (strichlinierte Linie in Fig.2). Dies gilt sinngemäß in genau umgekehrter Richtung beim Ladevorgang der in Betrieb zu setzenden Batterie 4 oder beim Entladevorgang der Speicherbatterie. Der durch die Strommeßrichtung ermittelte Wert entspricht jeweils dem Istwert und wird im Steuerteil 2 mit einem vorgegebenen Sollwert vorzugsweise durch einen Fehlerverstärker verglichen. Abweichungen in positiver oder negativer Richtung werden in Steuerteil 2 zur Modulation der Impulsbreite der Recht eckimpulse an dem Anschluß 21 oder dem Anschluß 22 verwendet. Diese Impulsbreitenmodulation hat den Vorteil, daß aufgrund der konstanten Impulsfolgefre quenz der Rechteckimpuise die Induktivität in den Wicklungen 15 und 16 konstant bleibt.

ι» In der F i g. 2 ist das Blockschaltbild einer Anordnung dargestellt, !sei der mehrere DC-DC-Wandler 1, Γ, Γ und Γ" und mehrere in Beirieb zu setzende Batterien 4, 4', 4" und 4'" vorgesehen sind. Dabei kann jeder DC-DC-Wandler individuell von dem Steuerteil 2 zum La den bzw. Entladen der mit ihm verbundenen in Betrieb zu setzenden Batterie angesteuert werden. Zur Energie entnahme aus der Speicherbatterie ist jeder DC-DC Wandler über eine Leitung mit der Speicherbatterie verbunden. Beispielsweise ist der Wandler 1 über die Leitung 31, der Wandler Γ über die Leitung 3Γ, der Wandler 1" über die Leitung 31" und der Wandler 1" über die Leitung 31'" mit der Speicherbatterie 3 verbun den. Um den in Betrieb zu setzenden Batterien Energie zuzuführen oder entnehmen zu können, ist die Batterie 4 über die Leitung 41 mit dem Wandler 1, die Batterie 4' über die Leitung 4Γ mildem Wandler Γ. die Batterie 4' über die Leitung 41" mit dem Wandler 1" und die Batte rie 4'" über die Leitung 41"' mit dem Wandler Γ" ver bunden. Es sind mehrere nicht dargestellte Meßeinrich tungen vorgesehen, die über den Ladungszustand de Speicherbatterie 3 und der in Betrieb zu setzenden Bat tericn 4, 4', 4" und 4'" Auskunft geben. Aufgrund diese Informationen kann eine Steuerung durch das Steuerte! 2 so erfolgen, daß eine beliebige Anzahl der in Betriet

j5 zu setzenden Batterien gleichzeitig geladen wird, wäh rend eine andere beliebige Anzahl dieser Batterien ent laden wird. Die beim Entladen frei werdende Energii kann dabei direkt in die Batterien, die gerade geladet werden, oder in die Speicherbatterie 3 eingespeist wer

4(i den.

Auch bei der in F i g. 3 dargestellten Anordnung kam die Speicherbatterie 3 netztgestützt sein. Zu dieser Zweck ist der Netzgleichrichter 7 vorgesehen, der in de bereits im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschriebe

4^r. nen Weise durch das Steuerteil 2 ansteuerbar und ii Betrieb setzbar ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur Ladung wenigstens einer in Betrieb zu setzenden Batterie (4), wobei die Batterie (4) in Intervallen geladen und entladen wird, mit einem an eine Stromversorgung angeschlossenen elektronischen Umformer (1). der während der Ladcinlervalle den Ladestrom liefert und während der Entladeintervalle die Energie in die Stromversorgung zurückspeist, dadurch gekennzeichnet, daß