DE3315923A1 - Ladegeraet fuer batterien und dgl. - Google Patents

Description

PATENT-INGENIEUR MANFRED RIECKE

Europäischer Patentvertreter

6333 Braunfeie

17*3.1982 Neuköllner Straß·

/ Ri Telefon (06442) 4352

Industrie automation

Halbleitergerätebau GmbH & Co,

7801 March bei Freiburg

Ladegerät für Batterien und dgl.

Erfinder: Dr. Harry Gaus

Schwanheimer Str. 6140 Bensheim/Bergstr.

Die Erfindung betrifft ein Ladegerät für Batterien und Akkumulatoren.

• Ladegeräte der genannten Art sind bekannt. Sie werden in aller Pegel eingangsseitig an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen und liefern auf ihrer Ausgangsseite eine Gleichspannung von ca. 2,75 V pro zu ladender Zelle.. Dies wird erreicht unter Zwischenschaltung von Transformatoren und Gleichrichtern und gegebenenfalls von elektronischen Steuergliedern, wie z.B. Thyristor/Dioden-Modulen zur Stromsteuerung.

Die Ladegeräte können für verschiedene Leistungen ausgelegt sein, d.h. für Batterien mit ganz unterschiedlichen Kapazitäten hinsichtlich ihrer Amperestunden-Zahl (Ah). Diese Ladeleistung ist maßgebend für die Größe des verwendeten Transformators. Je größer die Ladeleistung, umso größer muß der Transformator sein, und umso größer muß auch das ganze Ladegerät sein.

Große Ladegeräte mit großen Transformatoren sind aber unhandlich und schwer. Außerdem enthalten große Transformatoren mehr Kupfer als kleinere. Sie sind daher wegen des hohen Kupferpreises unverhältnismäßig teuer.

Es ist daher bei der Herstellung eines Ladegerätes ein verständliches Bestreben, mit einem möglichst kleinen

Transformator auszukommen und aus diesem kleineren Transformator eine möglichst große Leistung herauszuholen.

Dem steht jedoch entgegen, daß sich ein Transformator während des Betriebes in dem Maße erwärmt, in dem die ihm abverlangte Leistung ansteigt. Der Leistungsentnahme aus einem Transformator ist daher durch diese Erwärmung eine natürliche Grenze gesetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ladegerät anzugeben, das unter Beachtung der vorgenannten Gesichtspunkte mit einem verhältnismäßig kleinen Transformator auskommt und daher, bei einer vorgegebenen Leistung, kleiner, leichter und preisgünstiger ist, als dies vergleichbare Ladegeräte nach dem Stand der Technik sind.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe durch ein Ladegerät gelöst, das die in den Ansprüchen angegebene Kombination von Merkmalen aufweist.

Diese Merkmale sind einerseits elektrischer, andererseits mechanischer Art. Beide tragen aber dazu bei, den bzw. die Transformatoren klein halten zu können, so daß die Herstellung eines bei gleicher Leistung im Verhältnis zu den Ladegeräten nach dem Stand der Technik kleineren und leichteren Ladegerätes möglich ist.

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Das elektrische Merkmal besteht in einer Reglerführung nach einer Kennlinie, die eine Kombination der bekannten W-Kennlinie (DIN 41774) und der ebenfalls bekannten IUI-Kennlinie (DIN 41773) darstellt.

Bei einer Ladung nach der W-Kennlinie ist der Stromverlauf ungeregelt. Der Strom nimmt beim Anstieg der Spannung in den geladenen Zellen ständig ab, so daß die W-Kennlinie in dem bekannten Ladestrom/Spannungs-Diagramm den Verlauf einer geneigten Geraden hat. Der Strom nimmt dabei zwar vom Beginn der Ladung an ständig ab, so daß eine nennenswerte Erwärmung des Transformators nur dann auftritt, wenn die Transformatorleistung ständig an der oberen Grenze der Leistungsabgabe liegt. Eine Ladung nach dem W-Verfahren ist zeitlich jedoch relativ lang. Eine kürzere Ladezeit wird erreicht, wenn nach dem IUI-Verfahren geladen wird.

Bei einer Ladung nach der IUI-Kennlinie wird der Ladevorgang zunächst mit einem maximalen Strom von 100% betrieben, bis die Gasungsspannung von ca. 2,4 V/Zelle erreicht ist. Danach wird bei gleichbleibender Zellenspannung der Ladestrom herabgesetzt und später erfolgt mit etwa 20%des Ladestromes eine Nachladung der Batterie bis auf ca. 2,7 V/Zelle. Dies verlangt einen relativ großen Transformator, da während einer relativ langen Zeit,

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nämlich bis zum Erreichen der genannten 2,4 V/Zelle, der Maximalstrom fließt.

Um hier eine Verkleinerung des Transformators bei gleichzeitiger Verkürzung der Ladezeit.zu erreichen, sieht der Erfindungsgedanke vor: Erstens die Ladung gemäß einer Kombination einer IUI-Kennlinie mit einer W-Kennlinie durchzuführen. Dies bedeutet, daß zunächst mit dem Maximalstrom geladen wird, aber nicht bis zum Erreichen der Gasungsspannung, sondern nur bis zu einer Spannung von etwa 2,o5 V/Zelle. Danach fällt der Ladestrom, dem Ver-r lauf einer W-Kennlinie folgend, bis zum Erreichen von 2,16 V/Zelle auf ca. 70% von I ab.

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Wesentlich ist dabei, daß der Maximalstrom nicht wie bei der IUI-Ladung bis zum Erreichen von 2,4 V/Zelle fließt, sondern nur bis etwa 2,05 V/Zelle und von 2,05 V/Zelle an bis auf 70% von I fällt. Dies ermöglicht die Verwen-

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dung eines kleineren Transformators, während andererseits eine kürzere Ladezeit als bei einer reinen W-Ladung erzielt wird. Die Steuerung des Stromes erfolgt dabei mit Thyristor/Dioden-Modulen.

Zweitens sieht der Erfindungsgedanke vor, den an sich schon gegenüber einer reinen IUI-Ladung verkleinerten Transformator noch weiter zu verkleinern und dabei eine

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gewisse Transformator-Erwärmung in Kauf zu nehmen, gleichzeitig aber durch günstige räumliche Anordnung des Transformators dafür zu sorgen, daß diese Transformatorwärme gut abgeleitet wird. Zu diesem Zweck wird vorgeschlagen, den Transformator in der Weise innen auf einer Gehäuse-Außenwand des Ladegerätes anzuordnen, daß die Außenwand gleichzeitig als Wärmeableitblech dienen kann. Falls der Transformator mehrgeteilt ist, wird vorgeschlagen, jeden der mehreren Teil-Transformatoren an den Gehäusewänden azubringen. Zu diesem Zweck kann die räumliche Ausbildung der Transformatoren (=Transformatqrschnitt) bewußt derart gestaltet werden, daß ein guter körperlicher Kontakt zwischen Transformator und Wand gewährleistet ist.

Desgleichen können auch die zur Stromsteuerung verwendeten Thyristor/Dioden-Module, die sich im Betrieb ebenfalls erwärmen, auf einer Gehäusewand montiert werden.

In der Zeichnung ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die bekannte W-Kennlinie für einen Ladevorgang,

Fig. 2 schematisch die bekannte IUI-Kennlinie für einen

Ladevorgang,
Fig. 3 die Kennlinie des IWIUIa Ladevorganges nach der

Erfindung,

Fig. 4 schematisch die räumliche Anordnung von Transformatoren und Thyristor/Dioden-Modulen in einem Ladegerät.

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In den Fig. 1 und 2 sind zum besseren Verständnis der Erfindung die an sich bekannten Kennlinien des Ladevorganges separat dargestellt. Fig.l zeigt'eine W-Kennlinie. Aus ihr ist vor allem zu ersehen,'daß während der.Ladung der Ladestrom ständig in völlig ungeregelter Weise abnimmt. Er sinkt von 100% des Ladestromes bei 2,0 V/Zelle ab bis auf 25% des Ladestromes bei 2,65 V/Zelle. Dieses Verfahren ist vor allem deshalb nachteilig, weil, verursacht durch den ständig sinkenden Ladestrom, die Ladung relativ lange dauert.

Eine kürzere Ladezeit wird erreicht, wenn die Ladung nach einer IUI-Kennlinie erfolgt, wie dies in Fig.2 dargestellt ist. Hier wird der Ladestrom geregelt, und zwar derart, daß zunächst bis zum Erreichen der Gasungsspannung von 2,4-V/Zelle 100% des Ladestromes fließen. Danach geht der Ladestrom entsprechend dem Füllgrad der Batterie auf 5 A je 100 Ah Batteriekapazität zurück, und die Batterie wird mit diesem Strom nachgeladen.

Es ist einzusehen, daß ein solcher Ladevorgang wesentlich schneller abläuft, als eine Ladung nach der W-Kennlinie. Allerdings wird dafür ein relativ großer, leistungsstarker Transformator benötigt, der schwer, groß und teuer ist und zu einem räumlich relativ großen Ladegerät führt.

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Dies wird vermieden bei einer Ladung nach dem erfundenen Verfahren, dessen Kennlinie in Fig.3 dargestellt ist. Aus ihr ist zu ersehen, daß die anfängliche Ladung mit 100% des Ladestromes nur bis etwa 2,05 V/Zelle vorgenommen wird. Danach fällt der Ladestrom, dem Verlauf einer W-Kennlinie folgend, bei Erreichen von 2,16 V/Zelle auf ca. 70% von I ab, und mit diesen 70% wird die Batterie bis zur Gasurigsspannung von ca. 2,4 V/Zelle aufgeladen. Danach geht der Ladestrom entsprechend dem Füllgrad der Batterie auf 5 A je 100 Ah Batteriekapazität zurück. Mit diesem Strom wird die Batterie über eine im Regler des Gerätes integrierte Zeituhr 3,5 Std. nachgeladen.

Wesentlich ist hierbei vor allem, daß am -Anfang mit 100% des Ladestromes nicht bis 2,4 V/Zelle sondern nur bis auf ca. 2,05 V/Zelle geladen wird und ab Erreichen dieser Zellenspannung der Strom- entsprechend einer W-Kennlinie abfällt. Dadurch wird ein gegenüber dem IUI-Verfahren deutlich kleinerer Transformator benötigt. Andererseits erfolgt aber eine Konstanthaltung des Stromes ab 70% von I , so daß die Gasungsspannung von 2,4 V/Zelle erheblich schneller erreicht wird, als bei einer Ladung nach der W-Kennlinie.

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Das erfundene Ladegerät arbeitet somit schneller als ein Gerät für W-Ladung, und es ist leichter und kleiner als ein Gerät- für IUI-Ladung.

Dabei kann die Größe des Ladegerätes noch weiter reduziert werden, wenn eine gewisse Erwärmung der Transformatoren in Kauf genommen wird. Dies ist insbesondere dann zulässig, wenn für eine gute Ableitung der Wärme gesorgt wird. Gemäß der Erfindung wird daher ferner vorgeschlagen, die Transformatoren in der Weise innen an den Außenwänden des Gehäuses des Ladegerätes anzuordnen, daß diese Außenwände gleichzeitig als Wärmeableitbleche dienen.

Diese besondere räumliche Anordnung des Tranformators ist in Fig.4 an einem Ladegerät dargestellt, bei dem der Transformator in einen-ersten und einen zweiten Teil-Transformator unterteilt ist und mehrere elektronische Bausteine, z.B. Thyristor/Dioden-Module, zur Steuerung des Ladestromes verwendet werden.

Mit 1 ist in Fig.4 der Boden des Gehäuses bezeichnet, auf dem die Gehäusewände 2, 3 und 4 aufgesetzt sind. Die Transformatoren sind mit 5 und 6 bezeichnet, und die Thyristor/Dioden-Module mit 7, 8, 9 und 10.

Es ist aus der Figur deutlich erkennbar, daß jeder der Teil-Transformatoren 5 und 6 an je einer Gehäusewand 2

bzw. 4 befestigt ist. Diese Gehäusewände dienen daher als gute Wärmeableitbleche für die von den Transformatoren entwickelte Wärme.

In gleicher Weise sind die Thyristor/Dioden-Module 7, 8, 9 und 10 an der Gehäusewand 3 befestigt. Diese Gehäusewand dient daher zur Ableitung der von den Thyristor/Dioden-Modulen entwickelten Wärme.

Unterhalb der Transformatoren und Thyristor/Dioden-Module sind im Boden 1 die Schlitze 11, 12 und 13 angebracht. Diese dienen der Luftzufuhr. Gleiche Schlitze sind im nichtgezeigten Deckel des Gehäuses angebracht, so daß eine gute Luftzirkulation und somit eine weitere gute Wärmeableitung erzielt wird.

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Claims (3)

Ansprüche

1.) Ladegerät für Batterien und du:L. mit mindestens einem Transformator, einem Gleichrichter und weiteren elektrischen bzw. elektronischen Bauelementen, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a die Ladung der Batterie erfolgt nach einer Kombination einer W-Kennlinie mit einer lUI-Kennlinie, b die Stromsteuerung des Ladegerätes erfolgt mittels Thyristor/Dioden-Module (7-10), und

IG c die Transformatoren (5;6) und die Thyristor/Dioden-Module (7-10) sind in der 7/r-ise innen an den Außenv/änden (2;3;4) des Gehäuses angeordnet, daß diese Außenwände gleichzeitig als Y/ärmeableitbleche dienen.

2.) Ladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformatoren (5;6) in ihrem räumlichen Aufbau (=Transformatorschnitt) flach gehalten sind, um einen guten körperlichen Kontakt zu den" Gehäusewänden ■ (2 ; 3 ; 4) zu ermöglichen.

3.) Ladegerät nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (5;6) bzw.. die Thyristor/ Dioden-Module (7-10) an in der Gebrauchslage des Ladegerätes etwa senkrecht stehenden Seitenwänden (2;3;4) angeordnet sind und im Boden (1) und/oder im Deckel neben den die Transformatoren bzw. die Thyristor/Dioden-Module tragenden Seitenwänden (2;3;4) Luftschlitze (11;12;13) angebracht sind.