DE3315923C2

DE3315923C2 - Ladegerät für Batterien und dgl.

Info

Publication number: DE3315923C2
Application number: DE3315923A
Authority: DE
Inventors: Harry Dr. 6140 Bensheim Gaus
Original assignee: Industrie Automation Halbleitergeraetebau & Co 7801 March De GmbH
Current assignee: Industrie Automation Halbleitergeraetebau & Co 7801 March De GmbH
Priority date: 1983-05-02
Filing date: 1983-05-02
Publication date: 1985-10-03
Also published as: DE3315923A1

Abstract

Es wird ein Ladegerät für Batterien und dgl. beschrieben, das sich dadurch auszeichnet, daß es gegenüber leistungsmäßig vergleichbaren Geräten nach dem Stand der Technik kleiner und leichter ist. Dies wird dadurch erreicht, daß die Ladung mit von Thyristor/Dioden-Modulen geregeltem Strom nach der Kombination einer IUI-Kennlinie mit einer W-Kennlinie erfolgt. Dadurch ist die Verwendung eines kleineren Transformators als bei einer reinen IUI-Ladung möglich. Gleichzeitig wird vorgeschlagen, den Transformator bzw. die Transformatoren derart innen an den Gehäusewänden des Ladegerätes anzuordnen, daß diese Wände als Wärmeableitbleche dienen. Dadurch können die Transformatoren noch weiter verkleinert werden, weil eine gewisse Erwärmung dieser Transformatoren in Kauf genommen werden kann.

Description

a) die Ladung der Batterie erfolgt nach einer IWlUI-Kennlinie, die sich aus der Kombination einer W-Kennlinie mit einer IUI-Kennlinie ergibt,

b) die Transformatoren (5; 6), die Thyristoren und die Dioden (7—10) sind in der Weise innen an den Außenwänden (2; 3; 4) des Gehäuses angeordnet, daß diese Außenwände gleichzeitig als Wärmeableitbleche 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), die Thyristoren und die Dioden (7—10) an in der Gebrauchslage des Ladegerätes etwa senkrecht stehenden Außenwänden (2; 3; 4) angeordnet sind und im Boden (1) und/oder im Deckel neben den die Transformatoren bzw. die Thyristoren bzw. die Dioden tragenden Außenwänden (2; 3; 4) Luftschlitze (11; 12; 13) angebracht sind.

Die Erfindung betrifft ein Ladegerät für Batterien und Akkumulatoren.

Ladegeräte der genannten Art sind bekannt. Sie werden in aller Regel 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. Aus der DE-OS 26 38 838 ist bereits ein Ladeverfahren bzw. -gerät bekannt, bei dem zur Ausnutzung der maximalen Netzleistung der Netzstrom konstant gehalten wird. Diese Maßnahme aiieine reicht jedoch noch

ίο nicht aus, einen kleinstmöglichen Transformator verwenden zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ladegerät anzugeben, das unter Beachtung der vorgenannten Gesichtspunkte mit einem verhältnismäßig kleinen Transformator auskommt und daher kleiner, leichter und preisgünstiger ist, als dies vergleichbare Ladegeräte nach dem Stand der Technik sind, ohne die Leistungsfähigkeit des Gerätes zu verringern.
Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe durch ein Ladegerät gelöst, rias 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, im Verhältnis zu den Ladegeräten nach dem Stand der Technik, kleineren und leichteren Ladegerätes möglich ist, ohne die Leistungsfähigkeit des Ladegerätes zu verringern.

Das elektrische Merkmal besteht in einer Reglerführung nach einer Kennlinie, die eine Kombination der bekannten W-Kennlinie (DIN 41 774) und der ebenfalls bekannten IUl-Kennlinie(DIN 41 773)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 IUl-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 ZeI-lenspannung der Ladestrom herabgesetzt und später erfolgt mit etwa 20% des maximalen Ladestromes I_max eine Nachladung der Batterie bis auf ca. 2,7 V/Zelle. Dies verlangt einen relativ großen Transformator, da während einer relativ langen Zeit, 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 2,05 V/Zelle. Danach fällt der Ladestrom, dem Verlauf einer W-Kennlinie folgend, bis zum Erreichen von 2,16 V/Zelle auf ca. 70% von Imax ab.
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 l_mjx fällt. Dies ermöglicht die Verwendung 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 gewisse Transformator-Erwärmung in Kauf zu nehmen, gleichzeitig aber durch günstige räumliche Anordnung des Transformators dafür zu sorgen, daß diese Transforma'orwärme 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 anzubringen. Zu diesem Zweck kann die räumliche Ausbildung der Transformatoren (= Transformatorschnitt) 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 zeigt

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 IWlUIa-Ladevorganges nach der Erfindung,

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

In den F i g. 1 und 2 sind zum besseren Verständnis der Erfindung die an sich bekannten Kennlinien des Ladevorganges separat dargestellt. F i g. 1 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 F i g. 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 maximalen Ladestromes fließen. Danach geht der Ladestrom entsprechend dem Füllgrad der Batterie auf 20% des maximalen Ladestromes 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, leistungsstärker Transformator benötigt, der schwer, groß und teuer ist und zu einem räumlich relativ großen Ladegerät führt.

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 maximalen Ladestromes /„_m 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 /_ma, ab, und mit diesen 70% wird die Bat;erie bis zur Gasungsspapnung von ca. 2,4 V/Zelle aufgeladen. Danach geht der Ladestrom entsprechend dem Füllgrad der Batterie auf 20% von I_mx 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 maximalen Ladestromes nicht bis 2,4 V/Zelle sondern nur bis auf ca. 2,05 V/Zelie 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 /„„.„ so daß die Gasungsspannung von 2, 4 V/Zelle erheblich schneller erreicht wird, als bei einer Ladung nach der W-Kennlinie.

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 Transformators ist in F i g. 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 a . 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ladegerät für Matterien und dgl. mit mindestens einem Transformator, mit einem aus Thyristoren und Dioden bestehenden Steuerteil, und mit einer Ladekennlinie, die mindestens einen Bereich geregelten Stroms und einen Bereich konstanter Spannung aufweist, und deren Verlauf derart gewählt ist, daß Spitzen in der Ladeleistung vermieden werden, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: