DE3201758A1

DE3201758A1 - Elektrischer akkumulator mit einer schutzschaltung

Info

Publication number: DE3201758A1
Application number: DE19823201758
Authority: DE
Inventors: Hans Kurt Dipl.-Ing. Dr. 6233 Kelkheim Köthe
Original assignee: VARTA Batterie AG
Current assignee: VARTA Batterie AG
Priority date: 1982-01-21
Filing date: 1982-01-21
Publication date: 1983-09-08
Also published as: DE3201758C2

Description

Elektrischer Akkumulator mit
einer Schutzschaltung Elektrische Akkumulatoren, die aus unregelmäßig arbeitenden Energiewandlern - wie z.B. Solargeneratoren - gespeist werden, sollen möglichst wartungsfrei zu betreiben sein. Dabei müssen sie sowohl vor zu hoher Ladespannung im Gasungsbereich als auch vor Tiefentladung geschützt werden. Da die in Frage kommenden Spannungswerte stark temperaturabhängig sind, muß stets die Akkumulatortemperatur berücksichtigt werden.
Die Kontrolle der Akkumulatortemperatur ist aus der Literatur bekannt. So beschreibt die DE-OS 28 48 466 eine 8atterieladevorrichtung, bei der eine TemperaturfUhl- bzw. Meßeinrichtung innerhalb des Akkumulatorgehäuses untergebracht ist. Mit Hilfe dieser Vorrichtung soll eine separate Ladesteuerung den Ladestrom unterbrechen, falls die Bstterietemperatur einen vorgegebenen Wert überschreitet. Als nachteilig erweist sich bei separater Bauweise der Ladestromsteuerung der Einsatz einer Übertragungastrecke für das Temperatursignal, welches leicht durch Einwirkungen aus der Umgebung verfälscht werden kann. Auch erfordert ein zusätzliches Gehäuse für die Ladestromsteuerung einen erhöhten Material- und Montageaufwand.
Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, eine temperaturabhängige Schutzschaltung für Akkumulatoren aufzubauen, die weitgehend im Batteriegehäuse integriert ist.
Die Erfindung wird dadurch gelöst, daß die Schutzschaltung Schaltelemente enthält, von denen wenigstens ein Teil innerhalb des Akkumulatorgehäuses mit einer elektrolyt dichten Umhüllung angeordnet ist und daß wenigstens ein Schaltelement ein Ausgangssignal hat, welches in bhängig keit von der Akkumulatortemperatur verstellbar ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen Akkumulatorgefäß und Gehäusedeckel aus gespritztem Kunststoff, wobei die Schutzschaltung in einem der Freiräume unterhalb des Deckels untergebracht ist.
Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung an Hand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert. Figur 1 a zeigt ein schematisches Schaltbild einer Schutzschaltung, in Figur 1 b ist ein Akkumulatorgehäuse mit eingebauter Schutzschaltung dargestellt; Figur 2 a zeigt das Schaltbild einer Schutzachaltung mit zwei herausgeführten Anschlüssen In Figur 2 b ist die Beschaltung einer Anordnung mit Solargenerator, in Figur 3 die Beschaltung für Windenergiekonverter dargestellt.
Gemäß Figur 1 a enthält die Anordnung einen Akkumulator 1, der über eine Diode 2 aus einen Solargenerator 3 gespeist wird. Die Reihenschaltung aus Solargenerator 3 und Rückstromsperrdiode 2 ist an die Eingangsklemmen 4 und 5 der aus Akkumulator 1 und Bchutzschaltung bestehenden Schaltung anordnung 6 angeschlossen. Dabei ist Klemme 4 direkt mit dem positiven Endpol des Akkumulators und Klemme 5 mit dem negativen Endpol verbunden. Weiterhin ist der positive Endpol über einen steuerbaren Schalter 7 mit der zum Werraucher 8 führenden Ausgangsklemme 9 verbunden. Der negative Endpol ist über Klemme 10 an den Verbraucher angeschlossen. Die Eingangsklemmen 4 und 5 sind mit der Reihenschaltung eines Widerstandes 11 und der Kollektor-Emitter-Strecke eines Transistors 12 verbunden. Die Basis des Transistors 12 ist an den Steuerausgang einer Schwellwertschaltung 13 angeschlossen, deren Eingangsklemmen direkt mit den beiden Endpolen des Akkumulators 1 verbunden sind. Widerstand 11 und Transistor 12 bilden einen Parallelregler bzw. Shuntbegrenzer, der bei Erreichen einer oberen Schwellwertspannung angesteuert wird und einen Teil des eingespeisten Ladestromes abzweigt. Die Schwellwertschaltung 13 steuert bei Erreichen einer unteren Schwellwertapannung den Schalter 7 an und öffnet somit den Entladestromkreis. Die Schalthysterese wird so gewählt, den bei Erreichen der Entladeschlußspannung des Akkumulators 1 der Verbraucher B abgeschaltet und beim nachfolgenden Laden bei Erreichen einer oberen Spannungaquelle wieder zugeschaltet wird. Dabei kann die Zuschaltspannung wesentlich unterhalb der Schwelle zur Überspannungsbegrenzung liegen.
Da die Schwellwertschaltung 13 sich im Akkumulatorgehäuse befindet, erfolgt die Einstellung der beiden Schwellwerte in Abhängigkeit von der Akkumulstortemperatur.
Die Verlustwärme solcher Schaltungen hängt im entscheidenden Maße von der AusfUhrung des Shuntzweiges ab. Bei einer Reihenschaltung von Widerstand und Stelltransistor als Shuntzweig ist die Verlustwärme verhältnismäßig hoch.
Werden jedoch stattdessen V-MOS-Leistungs-Feldeffekt-Transistoren eingesetzt, so kann die Verlustwärme beim Regeln eines 33W-Solargenerators auf ca. 1W gesenkt werden.
Figur 1 b zeigt ein Akkumulatorgehäuse mit integrierter Schutzschaltung. Es ist im Prinzip so ähnlich aufgebaut wie ein Gehäuse für Starter-Batterien (Blei-Säure-Akkumulatoren). Zwischen den beiden äußeren Endpolen befindet sich ein aufgesetztes quaderförmiges Teilgehäuse 15, welches die Schutzachaltung aufnimmt. Der negative Endpol Führt das Potential der in Figur 1 a gezeigten Klemmen 5 und 10, der positive das Potential der Eingangsklemme 4. Der in der Mitte der Front des Teilgehäuses 15 angeordnete seitliche Endpol 14 entspricht der Ausgangsklemme 9 der Figur 1 a. Endpol 14 besteht aus einem Innengewinde, an das der Verbraucher 8 gemäß Figur 1 a angeschlossen werden kann.
Der übrige Teil des Gehäusse entspricht einem öblichen Akkumulaterendeckel.
Zur verbesserten Abföhrung der Verlustwärme kann dis Außenfläche des Teilschäusse mit kühlrippen varschen o@in.
Figur 2 e zeigt im @i@ckscheitbild eins Schaltungssnerdnung mit einer teilweise in den Gchäusedackel integrierten Schutzscheitung, welche die innerhelb der gestrichelt dargesteilten Umrendang 28 dergestailten Beusteine enthält. Die Montakte 19 und 22 sind durch den Gehäusedeckel nach @ußen geführt, während kontakt 21 mit dem positiven Endpol 16 der Bstteris 1 und Kontakt 20 mit dem nagativen Endpol 17 verbunden ist.
Die Schaltung ist ähnlich aufgebaut wie die in Figur 1 e dsrgestelite. Der Ladestromkreis des Akkumulatere 1 bestcht aus einer Reihenschaltung der Diode Z und des Solergenereters 3; parallel zu Solargenerstor 3 ist der Shuntbegrenzer 25 gescheltet, der über eine Sicherung 18 gegen üeratröme gescgützt wird. Der Shuntbegrenzer 25 ist abense wie die Stromversorgu@@ 26 und der Unterspannungsachutz 27 über Mlemme 21 mit dem positiven Pl 16 und über Mlemme 20 mit dem negstiven Pol 17 der Bstterie 1 verbunden. Der Bteuerausgang des Unterspannungsschutzes 27 ist über Klemme 22, Sicherung 23 an die Erragerwicklung 24 des Schaitraieis zur Steuerung des Schaltare 7 engeschlossen.
Der Ausgeng der Erragerwicklung 24 ist mit dem nagativen Pol 17 der Batterie 1 verbunden. Ale Unterspennungsschutz wird verzugßweise ein Schmitt-Trigger eingesetzt.
Das aus Erregerwicklung 24 und Schaltkentakt bestchende Abachaltraleis ist wegen seiner erhähten Verlustwärme abense wie die Rückstromsperrdiode außerhaib der im Deckel integrierten Schutzscheltung 28 aufgebaut. Ale vorteilheft Erweist eich die Abzweigung des Shuntstremes zwischen Solargenerator 3 und Diode 2, so daß der möglicherweise sehr hohe Shuntstram die Diode nicht belasten kann.
Die in Figur 2 e dargestellte Schaltungaanordnung lißt somit eine einfache Abfuhr der Verluatwrme zu, während pleichl zeitig die Steuerungselemente in der Schutzechaltung weiterhin abhängig von der Akkumulatortemperatur die Schweliwerte optimal einstellen können. Die Sicherung 18 schützt den im Shuntbegrenzer eingesetzten Transistor vor Überlastung und die Sicherung 23 den Ausgang der als Unterapannungaachutz wirkenden Schmitt-TriggerSchaltung.
Figur 2 b zeigt einen Akkumulatordeckel mit den zugehdrigen Kontakten sowie die bußere Beschaltung in schematischer Derstellung. Nach Figur 2 b wird die auf einer Leiterplette untergebrachte Schaltung 26 in den Akkumulatorendeckel zwischen den Endpolen 16 und 17 untergebracht. Es ist jedoch auch möglich, andere Freiräume im Bereich des Deckels zur Unterbringung vorzusehen. Die Kontakte 19, 20, 21 und 22 der Schutzschaltung 28 sind als Stehbolzen durch den Gehäusedeckel geführt. Die Beschaltuno entspricht dem in Figur 2 a dargestellten Schema. Weiterhin ist es möglich, die Kontakte 21 und 20 direkt mit den Endpolen 16 und 17 innerhalb des Gehäuses zu verbinden, so daß nur noch die Kontakte 19 und 22 als Stehbolzen herauszuführen sind.
Die in Figur 2 a dargestellte Schutzschsltung 28 lE3t sich mit verhältmismäßig geringen Änderungen auch als Schutzschaltung für die windelektrische Energieversorgung gemän Figur 3 einsetzen. Zur Stromerzeugung dient hierbei ein Windenergiekonverter 30. Im vorliegenden Fell soll der Shuntwiderstand 11 außerhalb der Schutzachaltung angeordnet werden, um die Verluatwärme einem thermischen Speicher zuzufUhren.

Claims

Patentansprüche 1. Elektrischer Akkumulator mit einer Schutzschaltung dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung Schaltelemente enthält, von denen wenigstens ein Teil innerhalb des Akkumulatorgehäuses mit einer elektrolytdichten Umhüllung angeordnet ist und daß wenigstens ein Schaltelement ein Ausgangssignal hat, welches in Abhängigkeit von der Akkumulatortemperatur verstellbar ist.
2. Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung einen Shuntbegrenzer (11, 12, 25) mit einem temperaturabhängigen Bauelement enthält, durch das der Höchstwert der Akkumulatorspannung einstellbar ist.
3. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschaltung einen Schmitt-Trigger als Unterspannungsschutz (27) enthält, dessen Schwellwerte in Abhängigkeit von der Akkumulatortemperatur einstellbar sind.
4. Akkumulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die innerhalb des Akkumulators angeordneten Schaltelemente im Gehäusedeckel (15) untergebracht sind und daß wenigstens ein Kontakt (14) der Schutzschaltung nach außen geführt ist.
5. Akkumulator nach einem der vorhergehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, daß die Akkumulatorklemmen über eine Rückstromsperrdiode (2) mit einem Solargenerator (3) verbunden sind.
6. Akkumulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Akkumulatorenklemmen über eine Rückstromsperrdiode (2) mit einem tilindenergiekonverter (30) verbunden sind.
7. Akkumulator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Shuntbegrenzer einen ohmschen Widerstand (29) enthält, der außerhalb des Akkumulatorgehäuses als Wärmeerzeuger einsetzbar ist.