DE3325029C2

DE3325029C2 - Ladeanlage

Info

Publication number: DE3325029C2
Application number: DE19833325029
Authority: DE
Inventors: Hans-Peter 8209 Stephanskirchen Venekamp
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-07-11
Filing date: 1983-07-11
Publication date: 1986-04-24
Also published as: DE3325029A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ladeanlage (1) zum gemeinsamen Laden von mehreren Batterien (B1, B2, ..., Bn). Um den Wirkungsgrad derartiger Ladeanlagen zu erhöhen, ist für alle Batterien eine gemeinsame, vorzugsweise ungeregelte Gleichspannungsquelle (4) vorgesehen, die eine Sammelschiene (3) speist. Mit der Sammelschiene (3) ist für jede Batterie (B1, B2, ..., Bn) ein Längsregler (21, 22, ..., 2n) verbunden, der die Batterien (B1, B2, ..., Bn) entsprechend des Bedarfes für einen optimalen Ladungszustand mit der Sammelschiene verbindet. Die Längsregler (2) weisen hier eine Antiparallel- bzw. Kommutierungsschaltung (5) aus rückwärtsleitenden Thyristoren (6, 7) auf. Diese Antiparallelschaltung (5) wird pulsdauermoduliert betrieben.

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf el"*; Ladeanlage gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.

Ladeanlagen werden dort benötigt wo eine Vielzahl von Batterien ständig im zyklischen Einsatz 1st und dementsprechend eine Vielzahl von Batterien geladen werden muß. Dies trifft z. B. für Traktionsbatterien für Transportwagen oder Gabelstapler zu, die in einer zentralen Ladeanlage geladen werden müssen.

Hierzu sind sogenannte Sammelschienen-Ladeanlagen bekannt, bei denen eine zentrale Gleichspannungsquelle eine gesteuerte oder geregelte Gleichspannung auf eine Gleichstrom-Sammelschiene einspeist. Die zu ladenden Batterien sind ohne besondere Regeleinrichtungen In Parallelschaltung mit der Sammelschiene verbunden. Der Wirkungsgrad einer solchen Ladeanlag ist relativ gut, es Ist jedoch nicht möglich, die einzelnen Batterien gezielt individuell zu behandeln.

Um diesen Nachteil zu beheben, sind sogenannte Einzelplatz-Ladeanlagen bekannt, so z. B. aus dem DE-GM 77 23 267 zum Laden von Batterien mehrerer tragbarer elektrischer Geräte. Für alle Batterien 1st eine gemeinsame Gleichstromquelle vorhanden, die eine Sammelschiene speist, wobei die einzelnen Batterien über separate Längsregler an diese Sammelschiene angeschaltet sind, ieder Längsregler führt aufgrund der gemessenen Ladespannung und des Ladestromes der jeweiligen Batterie eine an die Batteriekennllnle optimal angepaßte Ladespannung zu. Der Schaltungsaufbau der einzelnen Längsregler, die als transistorgesteuerte Vorwiderstände anzusehen sind, ist relativ kompliziert; außerdem Ist noch für die Versorgung der Steuer- und Regelanordnungen der einzelnen Ladeschaltungen eine weitere separate Gleichspannungsquelle vorzusehen. In den Langsreglern wird die überschüssige, für die Ladung der Batterien nicht benötigte Energie In Wärme umgesetzt. Diese bekannte Ladeanlage, die Im wesentlichen für Kleingeräte geeignet Ist, arbeitet für die angegebene Verwendung relativ verlustarm. Soll diese Anlage jedoch für die Ladung von großen Traktionsbatterien variiert werden, so sind, trotz der an sich optimalen Ladebedingungen, die Verluste nicht gering. Für derartige Elnzelplatz-Ladeanlagen !st - bedingt durch die Vielzahl der angeschlossenen Geräte - der Wirkungsgrad Insgesamt relativ gering.

Aus der Zeltschrift »Verkehr und Technik«, Heft 6, 1971, Selten 260 bis 265,1st ein Ladegerät für eine Batterie von U- bzw. S-Bahn-Tiäebwagen bekannt, die üoer ein Ladegerät gepuffert 1st. Der Laderegler ist als Gleichstromsteller mit Thyristoren ausgebildet, die pulsdauermoduliert angesteuert werden. Die Ladung der Batterie erfolgt nach einer Spannungs-Strom-Kennllnle, wobei die Ladespannung je nach Batterietyp eingestellt werden kann. Die Verwendung derartiger Laderegler in Ladeanlagen der In Rede stehenden Art wäre im Prinzip möglich, jedoch wäre der Schaltungsaufwand erheblich, da dann für jede zu ladende Batterie in jedem Laueregler ein Koppeltransformator mit entsprechender Beschallung zur Glättung des Ladestroms notwendig Is*.

Andererseits ist es aus der ÜS-PS 34 87 284 bekannt, eine Batterie aus einem Ladegerät mit pulsförmigem Ladestrom zu versorgen, wobei das Ladegerät einen Gleichstromsteller aufweist, in dem selbst keine Glättungselnrichtungen vorhanden sind. Dieses bekannte Ladegerät wird jedoch nur zur Ladung einer einzelnen Batterie verwendet.

Der Erfindung Hegt die Aufgabe zugrunde, eine Ladeanlage der in Rede stehenden Art zum Laden von mehreren Batterien mit Hilfe einer gemeinsamen Gleichspannungsquelle anzugeben, die mit einer einfachen und verlustarmen Regelschaltung ausgerüstet Ist.

Diese Aufgabe Ist gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des ersten Patentanspruches angegebenen Merkmale gelöst.

Demgemäß wird für alle Batterien eine gemeinsame allerdings vorzugsweise ungeregelte Gleichspannungsquelle vorgesehen, die eine Sammelschiene mit einer Gleichspannung speist. Mit der Sammelschiene sind für jede Batterie einfache verlustarme Längsregler verbunden, die pulsdauermodulierte Thyristor-Gleichstromsteller ohne Glättungselnrlchtungen aufweisen und die die Ist-Werte von Ladestrom und Ladespannung mit an die gewählte Batteriekennlinie optimal angepaßten Soll-Werten vergleichen und auf diese hinführen.

Eine Ladeanlage gemäß der Erfindung hat folgende Vorteile:

1. Die zentrale, für alle Batterien gemeinsame Gleichspannungsquelle kann ohne großen Aufwand erstellt werden. Eine Regelung für diese Gleichspannungsquelle ist nicht notwendig. Bei der bevorzugten Abwärtsregelung gibt die Gleichspannungsquelle eine Gleichspannung ab, die dem maximalen Wert der Batterieladespannung entspricht, z. B. für die erwähnten Traktionsbatterien 2,7 bis 2,8 Volt mal Anzahl der Batterlezellen.

2. Die Längsregler für die einzelnen Batterien ziehen von der Sammelschiene jeweils nur eine solche Leistung ab, wie sie für eine optimale Ladung der Batterie notwendig Ist. Die Längsregler, die geschaltete und verlustarme Stellglieder aufweisen, sind z. B. rückwärtsleltende Thyristormodule, die als Gleichstromsteller für Elektromotoren bekannt sind. Die Thyristormodule können mit hohen Frequenzen von einigen Kilohertz angesteuert werden; vgl. BBC-Nachrichten, Jahrgang 64, Heft 11/1982, Seite 334 ff. Die dort beschriebenen Thyristormodule

können far eine Ladeanlage gemäß der Erfindung vorteilhaft verwendet wreden. Die Thyristoren werden durch einen Regler angesteuert, der aus den Ist-Werten der Ladespannung und des Ladestromes und deren Vergleich mit Soll-Werten entsprechend der Batterie-Kennlinie das Thyristormodu! pulsdauermodullert ansteuert. Die jeweils zu ladende Batterie wird entsprechend der Pulsdauermodulation getaktet an die gemeinsame Sammelschiene angeschaltet. Da die Batterie selbst als Glättungsglled zu to betrachten i" stellt sich aufgrund des Taktverhältnisses eine geglättete Ladespannung mit dem zugehörigen Ladestrom ein.

3. Mit einer zentralen ungeregelten Gleichspannungsquelle, die eine gemeinsame Sammelschiene für alle Batterien speist, und einfach aufgebauten verlustarrosn Längsreglern kann mit wesentlich geringerem Aufwand als bisher jede Batterie individuell und optimal geladen werden.

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Weitere Ausgestaltungen und Vorteile de' Erfindung gehen aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung hervor. In der die Erfindung anhand der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert ist.

In der Zeichnung stellen dar.

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ladeanlage gemäß der Erfindung;

F i g. 2 ein Schaltbild eines für die Ladeanlage gemäß Fig. 1 zu verwendenden Längsreglers;

Fig. 3a und 3b schematische Signaldiagramme für du im Längsregler geschaltete Spannung bzw. den Ladestrom und die Ladespannung an der Batterie, jeweils aufgetragen über der Zelt.

In Flg. t Ist eine Ladeanlage for eine Vielzahl von η Batterien dargestellt, von denen nur die Batterien Bl, Bl und Bn gezeigt sind. Die Batterien sind jeweils mehrzellige Traktionsbatterien, so z. B. 24-Volt- oder 80-Volt-Batterlen -nit 12 bzw. 40 Zellen. Die Batterien fll, Bl, ..., Bn sind über jeweils einen Längsregler 2j, 2₂ l_r mit einer Sammelschiene 3 verbunden. Die Sammelschiene wird von einer Gleichspannungsquelle 4 gespeist, die mittels eines ungeregelten Gleichrichters aus einem Dreiphasenwechselstrom eine geglättete Gleichspannung In dleserr Falle mit einem Maximalwert U_max von 2,8 Volt mal Anzahl der Zellen abgibt. Im Falle von 24-Voli-Batterlen ist U_max etwa 34 Volt, bei 80-Volt-Batterl3n etwa 112 Volt. Die ungeregelte Glelchspannungsquelle kann In üblicher Wels; aus einer ungesteuerten Drehstrombrückengleichrlchtung bestehen und gegebenen- so falls zur Filterung und Glättung durch Drosseln und Kondensatoren ergänzt sein.

Die Längsregler 2 sind sämtlich gleich aufgebaut, wie dieses In Flg. 2 dargestellt Ist. Die Eingangsklemmen sind mit der Plus- und Mlnusleltung der Sammelschiene 3 verbunden. Der Längsregler 2 weist eine Antlparallelschaltung 5 von Thyristoren und Dioden auf, wobei die Thyristoren und Dioden hler zu rückwärtsleltenden Thyristoren zusammengefaßt sind. In der Plus-Leitung des Längsreglers 2 liegt ein rückwärtsleitender Hauptthyristor 6, dessen Steuerelektrode mit α bezeichnet Ist. Ausgang und Eingang dieses Hauptthrlstors sind mit einer Serienschaltung aus einem rückwärtsleltenden Kommutierungsthyristor 7, einer Kommutierungsdrossel 8 und einem Kommutierungskondensator 9 miteinander verbunden. Die Steue colektrode des Kommutierungsthyristors 7 ist mit b bezeichnet. Hauptthyristor und Kommutierungslhyrlstor sind In einem handelsüblichen Thyristormodul zusammengefaßt. Parallel zu der Antlparallelschaltung ist zwischen Plus- und Mlnusleltung eine Freilaufdiode 10 geschaltet. Zur Strombegrenzung und Glättung ist zwischen dem eigentlichen Stellglied S und den Ausgangsklemmen eine Drossel 14 vorgesehen. Ferner sind in der zu der Batterie B führenden Plus-Leitung ein Amperemeter 11 und zwischen Plus- und Minus-Leitung ein Voltmeter 12 vorgesehen. Mit diesen Meßinstrumenten werden der jeweilige Ladestrom und die jeweilige Ladespannung der Batterie B angezeigt. Der Ladestrom I₈ der Batterie wird an Klemmen c und d längs des Amperemeters, die Ladespannung U₈ der Batterie wird an Klemmen e und/längs des Voltmeters 12 abgenommen.

Die beschriebene Antiparallel- bzw. Kommutierungsschaltung 5 ist das Stellglied des Längsreglers, das von einer Regelschaltung 13 angesteuert wird. Die Regelschaltung 13 weist Klemmen a, b. c, d, e und /auf, die mit den Steuerelektroden α und der Thyristoren 6 und 7 und den Klemmen c, d längs des Ai«?eremeters bzw. den Klemmen e. /längs des Voltmeters 12 verbunden sind. In der Regelschaltung 13 werden die Ist-Werte von Ladestrom /_s und Ladespannung U₈ mit Vorgabe- bzw. Soll-Werten der Batterlekennllnle verglichen. Aus dlesei.; Vergleich werden die Thyristoren 6 und 7 entsprechend einer Pulsdauermodulation mit der Pertode T angesteuert. Die von der Antlparallelschaltung 5 hindurchgelassenen Spannungsimpulse weisen jeweils den Spannungswert U_max auf entsprechend der maximalen Ladespannung für die Batterie. Je nach dem Ladezustand der Batterie, der aus dem obigen Vergleich abgeleitet wird, variiert die Breite der von der Antlparallelschaltung S hindurchgelassenen Spannungsfmpulse innerhalb der Perlode T. Anfänglich, bei nahezu entladener Batterie, sind die Spannungsimpulse noch sehr breit, entsprechend dem hohen Ladestrom I₈ und der niedrigen Batteriespannung U_B\ vgl. auch Flg. 3b. Entsprechend dem Verlauf von Ladestrom I₈ und Ladespannung U₈ gemäß Flg. 3 wird die Breite der Spannungsimpulse U₅ sukzessive durch die Regelschaltung 13 verringert, bis schließlich bei vollständiger Batterieladung nunmehr Nadelimpulse von der Sammelschiene 3 an die Batterie b weitergeleitet werden.

Bei einer Ladeanlage gemäß der Erfindung werden jeweils nur die für eine optimale Ladung der Batterie notwendigen Spannungs- und Stromwerte verlustarm an die Batterie weitergegeben. Die pulsdauermodullerten Spannungsimpulse U₅ werden durch eine Drossel und die Batterie Integriert, so daß sich in dieser ein geglätteter Spannungs- und Stromverlauf z.B. gemäß Flg. 3b elnstelit.

Eine Ladeanlage gemäß der Erfindung 1st einfach aufzubauen, da nur eine ungeregelte gemeinsame Gleichspannungsquelle und Längsrcgier mit kle'nen Schaitlelstungen notwendig sind. Gleichzeitig Is' trotz der individuellen und optimalen Batterieladung der Wirkungsgrad sehr hoch.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Ladeanlage zum gemeinsamen Laden von mehreren Batterien, mit einer für alle Batterien s gemeinsamen Gleichspannungsquelle, die eine Sammelschiene speist, und mit je einem, an die Sammelschiene angeschlossenen und den Ladevorgang steuernden Längsregler für jede Batterie, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtungen (2,, 2₂, . ■ ■, 2.) pulsdauermodulierte Thyristor-Gleichstromsteller ohne Glättungselnrichtung sind.

2. Ladeanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtungen (2,, 2₂, bis 2„) eine Antiparallelschaltung (5) aus Thyristoren und Dioden (6, 7) aufweisen.

3. Ladeanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtungen (2,, I₁, ... 2_n) jeweils Anzeigeinstrumente (11, 12) für den Ladestrom (Ig) und die Ladespannang (Ug) der zugehörigen Batterie (Bi, B₁,..., B_n) aufweisen.

4. Ladeanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Gleichspannungsquelle eine etwa der maximalen Ladespannung (U„uJ aller Batterien (B₁ B₁, ..., B_n) entsprechende Gleichspannung liefert.