DE3519640A1

DE3519640A1 - Aufladeanordnung fuer akkumulatoren

Info

Publication number: DE3519640A1
Application number: DE19853519640
Authority: DE
Inventors: Tilmann Dipl.-Ing. Langbein (FH), 7080 Aalen
Original assignee: ULLMANN ULO WERK
Current assignee: ULLMANN ULO WERK
Priority date: 1985-05-31
Filing date: 1985-05-31
Publication date: 1986-12-04

Description

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Aufladeanordnung für Akkumulatoren

Die Erfindung betrifft eine Aufladeanordnung für Akkumulatoren mit einem gleichspannungsbetriebenen Ladegerät, an das der aufzuladende Akkumulator angeschlossen .ist. Derartige Ladegeräte sind in verschiedenen Ausführungen bekannt und im Handel erhältlich. Sie weisen jedoch den Nachteil auf, daß der Ladestrom für den jeweils aufzuladenen Akkumulator vom Bediener am Ladegerät eingestellt werden muß, oder daß innerhalb des Ladegerätes ein bestimmter' Ladestrom vorgegeben ist, der dadurch jedoch nicht an sämtliche aufzuladenden Akkumulatoren optimal anzupassen ist. Ebenfalls weisen die bekannten gleichspannungsbetriebenen Ladegeräte die Eigenschaft auf, daß sie bestimmte Anforderungen an die Nennspannungen der Akkumulatoren stellen. So gibt es Ladegeräte, die nur Akkumulatoren aufladen können, deren Nennspannung entweder kleiner oder größer als ihre eigene Betriebsspannung ist, was in beiden Fällen eine Einschränkung der Einsatzmöglichkeiten des Ladegerätes bedeutet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Aufladeanordnung für Akkumulatoren anzugeben, bei der jedem aufzuladenen Akkumulator automatisch der optimale Ladestrom zugeordnet wird, ohne daß dabei irgendwelche Einschränkungen bezüglich der Nennspannung des Akkumulators bestehen.

Dies wird dadurch erreicht, daß dem Akkumulator ein Widerstand zugeordnet ist, der auf einen bestimmten Ladestrom abgestimmt und mit dem Ladegerät gekoppelt ist. Der dem Akkumulator zugeordnete Widerstand hat dabei die Funktion einer Ladestromcodierung, d. h. , daß das Ladegerät aufgrund des Widerstandswertes den für den vorliegenden Akkumulator optimalen Ladestrom automatisch einstellen kann.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der dem Akkumulator zugeordnete Widerstand innerhalb des Ladegerätes

mit einer Referenzspannungsquelle gekoppelt, bzw. wird der über den Akkumulator fließende Ladestrom ebenfalls innerhalb des Ladegerätes mittels eines Meßwiderstands gemessen. Durch diese Sollwert- und Istwerterfassung des Ladestroms ist es möglich, den tatsächlich über den Akkumulator fließenden Ladestrom mit Hilfe eines·Reglers und eines nachgeschalteten Stellers auf den gewünschten Ladestrom einzustellen.

Besonders vorteilhaft . ist es, als Steller einen sogenannten invertierenden Drosselwandler zu verwenden, der aus einer Induktivität, einer Kapazität, einer Diode, einem Schalter und einem Oszillator besteht. Mit Hilfe des Drosselwandlers ist es möglich, die Nennspannung des aufzuladenden Akkumulators und die Betriebsspannung des Ladegeräts nahezu unabhängig voneinander zu gestalten. Dies bedeutet, daß mit dem selben Ladegerät bei einer Betriebsspannung von 24 Volt ein Akkumulator mit 6 Volt Nennspannung aufgeladen werden kann, bzw. bei einer Betriebsspannung von 6 Volt ein Akkumulator mit 18 Volt Nennspannung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 den prinzipiellen 'schaltungstechnischen Aufbau der Aufladeeinrichtung ,

Fig. 2 eine Erweiterungsmöglichkeit des Reglers der Aufladeeinrichtung, sowie

Fig. 3 weitere schaltungstechnische Möglichkeiten für den An- und 4 Schluß des der Ladestromcodierung dienenden
Widerstands.

Gemäß der Fig. 1 besteht die gesamte Aufladeanordnung für

Akkumulatoren aus einem Ladegerät 15 und einer Akkueinheit 45. Das Ladegerät 15 umfaßt dabei einen Steller 17, einen Regler 25, einen Meßwiderstand 35, eine Referenzspannungsquelle 38 und 'einen Referenzwiderstand 39. " Demgegenüber enthält die Akkueinheit 45 einen ■ Akkumulator 46,,- der letztlich ■ von dem Ladegerät 15 aufgeladen werden soll, sowie einen Codierwiderstand 47. Die Akkueinheit 45 und das Ladegerät 15 sind über die Verbindungsleitungen 50, 5l und 52 miteinander verbunden, während das Ladegerät 15 über die Spannungsversorgungsleitungen

10 und 11 von einer nicht dargestellten Betriebsspannung beaufschlagt ist.

Innerhalb des Stellers 17 ist eine Induktivität 19 der Serienschaltung einer Kapazität 20 und einer Diode 21 parallel geschaltet. Vom Verbindungspunkt der Induktivität 19 und der Kapazität 20 führt einerseits die Spannungsversorgungsleitung

11 zum negativen Anschlußpunkt der Betriebs-Gleichspannung, sowie andererseits die Verbindungsleitung 50 zum positiven Anschlußpunk des Akkumulators 46. Der negative Anschlußpunkt der nicht dargestellten Betriebsspannung des Ladegeräts 15 ist also direkt über die Leitungen 11 und 50 mit dem positiven Anschlußpunkt des aufzuladenden Akkumulators 46 verbunden. Der Verbindungspunkt der Induktivität 19 und der Diode 21 ist über einen Schalter 22 und über die Spannungsversorgungsleitung 10 mit dem positiven Anschlußpunkt der Betriebs-Gleichspannung des Ladegeräts 15 verbunden. Angesteuert wird der Schalter 22 von einem Oszillator 23, der in Abhängigkeit von eine Eingangsspannung ein Ausgangssignal erzeugt, das den Schalter 22 ein- und ausschaltet. Dabei ist es möglich, daß der Oszillator 23 bei einer Änderung seiner Eingangsspannung die Frequenz seines Ausgangssignals ändert, es ist jedoch auch denkbar, daß eine Eingangsspannungsänderung eine Tastverhältnisänderung des Ausgangssignals zur Folge hat. Derartige Oszillatoren sind allgemein bekannt und sollen daher an dieser Stelle nicht näher erläutert werden. Abhängig von der Ein- und Ausschaltfrequenz des Schalters 22 ist es möglich, diesen Schalter zum Beispiel mit

Hilfe eines Relais oder bei höheren Frequenzen mittels entsprechender Halbleiterschalter zu realisieren.

Die Eingangsspannung des Oszillators 23 wird von dem Regler 25 erzeugt, und zwar von einem Operationsverstärker 27. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 27 ist über die Verbindungsleitung 52 an den negativen Anschlußpunkt des aufzuladenden= Akkumulators 46 · angeschlossen, während der invertierende Eingang dieses Operationsverstärkers 27 einerseits über eine Kapazität 28 mit seinem Ausgang, sowie andererseits mit einem Verzweigungspunkt verbunden ist, an den jeweils ein Anschluß eines Widerstands 29 und eines Widerstands 30 angeschlossen ist. Der zweite Anschluß des Widerstands 29 führt zur Verbindungsleitung 51, während der zweite Anschluß des Widerstands 30 an den Verbindungspunkt der Kapazität 20 und der Diode 21 des Stellers 17 angekoppelt ist.

An den zuletzt genannten Verknüpfungspunkt der Kapazität 20, der Diode 21 und des Widerstands 30 ist des weiteren auch noch der Meßwiderstand 35 angeschlossen, dessen zweiter Anschluß zur Verbindungsleitung 52 führt. Zwischen der Verbindungsleitung 51 und der Verbindungsleitung 52 ist innerhalb des Ladegeräts 15 die Serienschaltung des Referenzwiderstands 39 und der Referenzspannungsquelle 38 geschaltet, während sich innerhalb der Akkueinheit 45 zwischen den beiden genannten Verbindungsleitungen der Codierwiderstand 47 befindet. Dies hat zur Folge, daß innerhalb der Akkueinheit 45 der negative Anschlußpunkt des aufzuladenden Akkumulators 46 direkt mit dem Codierwiderstand 47 verbunden ist, also beide an die Verbindungsleitung 52 angeschlossen sind.

Ist der Schalter 22 geschlossen, so fließt ein Strom vom positiven Anschlußpunkt der nicht dargestellen Betriebsspannungsquelle über die Spannungsversorgungsleitung 10, den Schalter 22, die Induktivität 19 und die Spannungsversorgungsleitung 11 zum negativen Anschlußpunkt der Betriebsspannungs-

quelle. Aufgrund dieses Stromes bildet sich in der Induktivität 19 ein magnetisches Feld aus, das die während des geschlossenen Schaltzustands des Schalters 22 von der Betriebsspannungsquelle abgegebene" Energie aufnimmt und abspeichert. Dieser beschriebene Betriebszustand wird in dem Moment unterbrochen, wenn der Schalter 22 geöffnet wird.· Dann fließt ein Strom von der Induktivität 19 einerseits über die Kapazität 20 und die Diode 21,. sowie andererseits über die Verbindungsleitung 50, den aufzuladenen Akkumulator 46, die Verbindungsleitung 52, den Meßwiderstand 35 und die Diode 21 zurück zur Induktivität 19. In diesem Betriebszustand des geöffneten Schalters 22 gibt also die Induktivität 19 ihre abgespeicherte Energie wieder ab. Da es sich bei dem Akkumulator 46 um ein speicherfähiges Bauelement handelt, und zwar z.B. um einen in bekannter Weise ausgeführten Schichtkondensator, geht während des geöffneten Schaltzustandes des Schalters 22 die in dem magnetischen Feld der Induktivität 19 abgespeicherte Energie als elektrostatisches Feld auf den Akkumulator 46 über, lädt also diesen auf. Da des weiteren während des geöffneten Schaltzustands des Schalters 22 das gesamte Ladegerät 15 von seiner Betriebs-Gleichspannung abgekoppelt ist, ist die eben beschriebene Aufladung des Akkumulators 4 6 vollkommen unabhängig von der genannten Betriebsspannung. Insgesamt weist der Steller 17 den Aufbau und die Funktionsweise eines sogenannten invertierenden Drosselwandlers auf.

Wird der Schalter 22 vom Oszillator 23 mit einer entsprechend hohen Frequenz geöffnet und wieder geschlossen, so ergibt sich dadurch ein nahezu konstanter Ladestrom i , dessen Größe durch das Verhältnis der Einschaltdauer zur Ausschaltdauer des Schalters 22 bestimmt werden kann. Aufgrund der schon erläuterten Zusammenhänge zwischen dem Ausgangssignal des Oszillators 23 und dessen Eingangsspannung besteht daher eine direkte /ibhängigkeit zwischen dem Ausgangssignal des Reglers 25 und dem u. a. über den Meßwiderstand 35 fließenden Ladestrom

Durch die Parallelschaltung der Referenzspannungsquelle 38 und der beiden Widerstände 39 und 47 ergibt sich am Verbindungspunkt der beiden genannten Widerstände ein Potential, das' dem gewünschten Ladestrom i über den aufzu-

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ladenden Akkumulator 46 entspricht! Dabei ist dieses Potential direkt abhängig vom Wert des Codierwiderstands 47, so daß durch die Zuordnung entsprechender Widerstände zu den jeweiligen aufzuladenden Akkumulatoren die Ladeströme zur Aufladung der Akkumulatoren eindeutig definiert werden können. Weiter steht am Verbindungspunkt des Meßwiderstands 35 und der Diode 21 ein Potential zur Verfügung, das dem tatsächlichen Ladestrom i

über den Akkumulator 46 entspricht. Beide Potentiale sind dem Regler 25 zugeführt und werden von diesem miteinander verglichen. In Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis erzeugt der Regler 25 ein Ausgangssignal, das immer gerade so groß ist, daß das Vergleichsergebnis möglichst zu null wird. Dies bedeutet insgesamt, daß der Regler 25 den Steller immer gerade so ansteuert, daß ein konstanter Ladestrom i fließt, der dem mit

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Hilfe des Codierwiderstands 47 vorgegebenen Wert entspricht.

Insgesamt ist es mit Hilfe der Aufladeanordnung gemäß der Fig. 1 möglich, den Akkumulator 46 mit einem konstanten Ladestrom aufzuladen, der einzig und allein abhängig ist von der Große des Codierwiderstands 47. Da der Codierwiderstand 47 und der Akkumulator 46 in der Akkueinheit zusammengefaßt sind, ist ein Einstellen des Ladestroms durch den Benutzer nicht mehr· notwendig. Durch die Verwendung des invertierenden Drosselwandlers als Steller 17 im Ladegerät 15 ist es des weiteren möglich, den Akkumulator 46 unabhängig von der Größe der Betriebsspannung des Ladegeräts 15 aufzuladen. Der Benutzer der beschriebenen Aufladeanordnung muß also keinerlei Einschränkungen bezüglich der Nennspannung des aufzuladenden Akkumulators mehr beachten.

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Fig. 2 zeigt eine schaltungstechnische Erweiterungsmöglichkeit des Reglers 25 der Fig. 1. Zu diesem Zweck ist zwischen den Widerstand 29 und den Referenzwiderstand 39 ein Operationsverstärker 55 zwischengescnältet, dessen invertierender Eingang mit seinem Ausgang und damit mit dem Widerstand 29, und dessen nicht invertierender Eingang mit dem Widerstand 39 verbunden ist. Mit Hilfe des Operationsverstärkers 55 wird eine Stabilisierung des Reglers 25 erreicht.

Die Fig. 3 und 4 zeigen weitere Möglichkeiten des schaltungstechnischen Aufbaus der Aufladeanordnung gemäß der Fig. 1. So ist in der Fig. 3 der invertierende Eingang des Operationsverstärkers 27 des Reglers 25 direkt über die Verbindungsleitung 51 an den Codierwiderstand 47 angeschlossen, dessen zweiter Anschluß über eine Verbindungsleitung 52 a, sowie über die Referenzspannungsquelle 38 und eine Verbindungsleitung 52 b mit dem negativen Anschlußpunkt des Akkumulators 46 verbunden ist. Der Verknüpfungspunkt des Meßwiderstands 35 und des nicht -invertierenden Eingangs des Operationsverstärkers 27 ist dabei ebenfalls über die Verbindungsleitung 52 b mit dem negativen Anschlußpunkt des Akkumulators 46 gekoppelt. Aufgrund der Parallelschaltung der Referenzspannungsquelle 38 und der Widerstände 47, 30 und 35 ergibt sich am invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 27 ein Potential, das vom Codierwiderstand 47 und vom Strom über den Meßwiderstand 35 abhängt und damit die Differenz zwischen dem gewünschten und dem tatsächlichen Ladestrom i darstellt. Beim Aufbau gemäß der Fig. 3 wird, wie schon bei der Einrichtung gemäß der Fig. 1, der tatsächliche Ladestrom auf den gewünschten Ladestrom eingeregelt und damit der Akkumulator 46 mit dem optimalen Ladestrom aufgeladen. Schließlich wird beim Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 4 der Codierwiderstand der Aufladeanordnung der Fig. 1 durch eine Zenerdiode 55 ersetzt. In analoger Weise kann auch der Codierwiderstand 47 der Einrichtung gemäß der Fig. 3 durch eine entsprechende Zenerdiode ausgetauscht werden.

Bei sämtlichen bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen ist es weiterhin möglich, als Induktivität 19 eine Induktivität mit Mittelanzapfung zu verwenden. Ebenfalls können die Anschlußpunkte der nicht dargestellten Betriebs-Gleichspannung, sowie die Anschlußpunkt'e des Akkumulators 46 jeweils vertauscht werden, was jedoch durch entsprechende Umpolungen der Diode 21 bzw. der Zenerdiode 55 ggf. berücksichtigt werden muß. Auch ist es denkbar, den Codierwiderstand 17 gleichzeitig zur Messung des Ladestroms i_T zu verwenden.

Weiter ist es möglich, die beschriebenen Aufladeanordnungen für Akkumulatoren dahingehend zu vervollständigen, daß Ladezeitbegrenzungen, LeerlaufSpannungsbegrenzungen, Verpolschutzschaltungen und/oder Anzeigen für den jeweiligen Betriebszustand des Ladegeräts in die Schaltung mit aufgenommen werden. Auch ist es möglich, den schaltungstechnischen Aufbau der beschriebenen Aufladeanordnungen zumindest teilweise mit Hilfe eines entsprechend programmierten Rechners zu realisieren. Insbesondere der regelungstechnische Teil, sowie eventuelle Uberwachungs- und/oder Anzeigeeinrichtungen eignen sich dabei besonders für eine Ausführung zum Beispiel mit Hilfe eines Mikroprozessors. Besonders vorteilhaft ist es, die beschriebenen Aufladeanordnungen im Zusammenhang mit Akkumulatoren von Elektrowerkzeugen zu verwenden.

BAD

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Claims

Patentanwälte " : : DR.-ING. H.H.WILHELM -"DIPL.-ING. Π.DAUSTER 3 519 6 4 D-7000 Stuttgart 1 Gymnasiumstr. 31B Tel. (0711) 291133/292857 Anmelder: Stuttgart, den 30.05.1985 ULO-Werk ' "- P7337 Moritz Ullmann GmbH & Co. KG Dr. W/pa . Postfach 98/99 7340 Geislingen/Steige Aufladeanordnung für Akkumulatoren

1. Aufladeanordnung für Akkumulatoren mit einem gleichspannungsbetriebenen Ladegerät, an das der aufzuladende Akkumulator angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Akkumulator (46) ein Widerstand (47) zugeordnet ist, der auf einen gewünschten Ladestrom (i_T) abgestimmt und mit dem Ladegerät (15) gekoppelt ist.

2. Aufladeanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Akkumulator (46) zugeordnete Widerstand (47) innerhalb des Ladegerätes (15) mit einer Referenzspannungsquelle (38) gekoppelt ist.

3. Aufladeanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der über den Akkumulator (46) fließende Ladestrom (i_T) innerhalb des Ladegerätes (15) mittels eines Meßwiderstandes (35) gemessen wird.

4. Aufladeanordnung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von dem dem Akkumulator

(46) zugeordneten Widerstand (47) und dem gemessenen Ladestrom (i ) mit Hilfe eines Reglers (25) und eines nachgeschalteten Stellers (17) der über den Akkumulator (46) .fließende Ladestrom (i_T) beeinflußt wird. ' ■

5. Aufladeanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Akkumulator (46) zugeordnete Widerstand (47) und ein Referenzwiderstand (39) der Referenzspannungsquelle (38) parallel geschaltet ist.

6. Aufladeanordnung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungspunkt des dem Akkumulator (46) zugeordneten Widerstands (47) und des Referenzwiderstandes (39) einem Eingang des Reglers (25) zugeleitet ist.

7. Aufladeanordnung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwiderstand (35) einerseits mit dem Akkumulator (46), sowie andererseits mit einem Eingang des Reglers (25) verbunden ist.

8. Aufladeanordnung nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Regler (25) wenigstens einen Operationsverstärker (27) und eine Kapazität (28) aufweist und als integrierender Regler beschaltet ist.

9. Aufladeanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Regler (25) des weiteren einen zweiten Operationsverstärker (55) aufweist, der mit dem Verbindungspunkt des dem Akkumulator (46) zugeordneten Widerstands (47) und des Referenzwiderstands (39) gekoppelt und als Spannungsfolger beschaltet ist.

10. Aufladeanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Steller (17) von einer Spannungsversorgung (10,11) beaufschlagt ist, sowie des weiteren mit dem Akkumulator (46) und dem Meßwiderstand (35) verbunden ist, daß der

Steller (17) wenigstens aus einer Induktivität (19), einer Kapazität (20) , einer Diode (21), einem Schalter (22) , insbesondere einem Halbleiterschalter und einem Oszillator (23) besteht und als' invertierender Drosselwandler aufgebaut, ist.

11. Aufladeanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Akkumulator (46) zugeordnete Widerstand (47) und die Referenzspannungsquelie (38) eine Serienschaltung bilden, die an einen Eingang des Reglers (25) angeschlossen ist.

12. Aufladeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Akkumulator (46) zugeordnete Widerstand (47) zur Messung des über den Akkumulator (46) fließenden Ladestroms (i_T) dient.

13. Aufladeanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Akkumulator (46) zugeordnete Widerstand (47) durch eine Zenerdiode (55) ersetzt wird.