DE3801303A1

DE3801303A1 - Ladegeraet fuer akkus

Info

Publication number: DE3801303A1
Application number: DE3801303A
Authority: DE
Inventors: Alfred Binder
Original assignee: Kress Elektrik GmbH and Co
Current assignee: Kress Elektrik GmbH and Co
Priority date: 1988-01-19
Filing date: 1988-01-19
Publication date: 1989-07-27

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Ladegerät für Akkus u.dgl. nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Akku-Ladegeräte sind in vielfältiger Form bekannt; bei den meisten Geräten ist, abgestellt auf die jeweilige, in der Packung enthaltene Anzahl von Akkus der Ladestrom konstant so begrenzt, daß nach einer üblichen 14stündigen Lade dauer der oder die Akkus voll geladen sind. Durch eine solche längere Ladedauer ist auch sichergestellt, daß allein schon im Hinblick auf die wiederholte Verwendungs fähigkeit eines solchen Akkus und den Umweltschutz der Akku bei der Ladung nicht überbeansprucht wird. Anderer seits muß aber der Benutzer dafür sorgen, daß nach der 14 stündigen Ladung der Ladevorgang beendet wird, also ent weder die Akkus aus dem Gerät entnehmen oder eine Leitungs verbindung mit endseitigem Stecker vom die Akkus enthal tenden Gerät abtrennen, damit nicht weitergeladen wird.

In diesem Zusammenhang sind auch schon Akku-Ladegeräte be kannt, in die ein sogenannter Akkupack eingesteckt werden kann, wodurch auch die elektrischen Anschlüsse hergestellt werden. Ein solcher Akkupack wird dann im geladenen Zustand an einer Handbohrmaschine, die hauptsächlich auch als Schrauber eingesetzt werden kann, befestigt (Metabo).

Das separate Akku-Ladegerät, welches den Akkupack in einer Aufnahmehöhlung mindestens zum Teil aufnimmt, ist dabei so ausgelegt, daß grundsätzlich stets mit einer Akku-Schnell ladung begonnen wird, um sicherzustellen, daß das Gerät möglichst umgehend wieder verwendet werden kann. Wird der Akku länger in dem Ladegerät gelassen, dann wird später auf den Zustand Dauerladung oder Erhaltungsladung umgeschaltet. In diesem Fall kann dann der Akku mehr oder weniger lange mit dem Ladegerät verbunden bleiben, ohne daß es zu ernsthaften Beschädigungen kommt. Der Übergang auf die Dauerladung wird durch Anzeigelampen am Ladegerät angezeigt, wobei während der Schnelladungsphase zwei Anzeigelampen, beim Übergang und während der Dauerladung nur noch eine Anzeigelampe brennen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes, eine Vielzahl von möglichen Schaltungsvarianten umfassendes Ladegerät für Akkus u.dgl. zu schaffen, welche dennoch nur sehr wenige Schaltungskomponenten benötigt und auf jeden Fall sicherstellt, daß die dem Ladevorgang unterworfenen Akkus im höchsten Maße schonend und auf ihren jeweiligen Zustand Rücksicht nehmend, behandelt werden.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und hat den Vorteil, daß bei Beginn jedes Ladungsvorgangs dann, wenn nicht manuell, also willkürlich durch den Benutzer eingegriffen wird, von der Ladungsphase Dauerladung ausgegangen wird, d.h., daß nach Anschluß von Netz und Batterie oder Akku das Ladegerät die schonende Aufladung der angeschlossenen Akkus ermöglicht; andererseits aber auch in der Lage ist, eine Schnelladungs phase dann durchzuführen, wenn der Benutzer dies ausdrück lich wünscht, wozu nach dem Anschluß des Geräts eine Start taste betätigt werden muß. Das Ladegerät geht dann in die Schnelladungsphase über. Es verfügt aber über Mittel, die im Sinne eines doppelten Sicherheitsstandards dafür sorgen, daß die Schnelladung den angeschlossenen Akkus oder Batte rien so wenig wie möglich schadet. Es ist daher eine Zeit schaltung vorgesehen, die die Schnelladungsphase auf einen vorgegebenen, jeweils bei der Herstellung des Gerätes in Ab stimmung auf die zu ladenden Akkus einstellbaren Zeitraum begrenzt, beispielsweise eine halbe Stunde, eine Stunde, zwei Stunden u.dgl., zusätzlich zu der Anordnung eines Tempera tursensors, welches den aktuellen Wärmezustand des der Schnelladung unterworfenen Akkus erfaßt und dem Ladegerät rückmeldet. Dabei hat die Temperaturrückmeldung sogenannten "Override-Charakter", das bedeutet, daß auch dann von der Schnelladephase auf die Erhaltungsladung oder Dauerladung rückgeschaltet wird, wenn die eingestellte Schnelladedauer noch nicht abgelaufen ist. Es wirken also zur Überwachung des Schnelladezustands die Timerfunktion sowie die Tempera turüberwachungsfunktion, wobei die Temperaturmessung direkt am Akku beispielsweise über einen NTC-Widerstand erfolgt.

Vorteilhaft ist ferner, daß die Vielzahl der durch die Er findung gebotenen Schaltungsmöglichkeiten keinen umständ lichen Aufbau mit einer größeren Anzahl diskreter Elemente erforderlich macht, da für den Überwachungs- und Steuerbe reich des Ladevorgangs ein IC-Baustein eingesetzt wird, der lediglich noch durch geringfügige äußere Beschaltung auf den jeweiligen Anwendungszweck programmiert wird.

Die Ladung erfolgt dabei über einen an den Gleichrichter ausgang angeschlossenen Triac der über einen weiteren Triac oder einen Transistor angesteuert wird, so daß die Stromer zeugung für die angeschlossenen Akkus oder Batterien durch Steuerung des Tastverhältnisses von Netzimpulspaketen durch geführt wird, etwa nach Art einer Phasenanschrittsteuerung, wobei auf eine Folge gleichgerichteter Netzhalbwellen (gewonnen durch Vollweggleichrichtung) gearbeitet wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der Netzfrequenz als Zeitbasis für die Timerfunktion, wobei der die Ladevorgänge kontrollierende und bestimmende IC- Baustein freie Programmiereingänge aufweist, über die zu sätzliche Informationen über die Arbeitsweise eingegeben werden können. So kann ein vorgegebenes Tastverhältnis für die vom Triac jeweils durchgelassenen Halbwellenpakete ein gestellt werden, so daß die gewünschte Strommenge mit hoher Genauigkeit vorgegeben werden kann, die pro Zeiteinheit entweder bei Schnelladung oder bei Dauerladung in den angeschlos senen Akku fließt.

Das erfindungsgemäße Ladegerät ist daher in der Lage, in feinfühliger Abstimmung auf das Verhalten des angeschlosse nen Akkus selbst bzw. zeitabhängig zu handeln und den ge wünschten Ladestrom vorzugeben, wobei auch dann eine Strom begrenzung in der Ladephase möglich ist, wenn der ange schlossene Akku schon durch einen vorhergehenden, inten siven Gebrauch heiß geworden ist, so daß er eine Schnell ladung nicht mehr verträgt. In diesem Fall schaltet die Temperaturmessung über den IC-Block den Schnelladevorgang ab, auch wenn manuell die Schnelladephase angewählt worden ist und die vom Gerät hierfür vorgesehene Zeit nicht abge laufen ist.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführunsform des erfindungsgemäßen Ladegeräts in einer Seitenansicht und

Fig. 2 in einer Ansicht von oben, während die

Fig. 3 das Ladegerät in einer Schnittdarstellung zeigt;

Fig. 4 zeigt den Schaltungsaufbau des Ladegeräts, bei dem sich die noch vorhandenen diskreten Elemente um den IC-Baustein gruppieren, bei nicht dargestelltem Trans formator.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das Gehäuse des erfindungsgemäßen Ladegeräts ist, wie den Darstellungen der Fig. 1 und 3 entnommen werden kann, griff sympatisch und kompakt so aufgebaut, daß es im Schnitt eine ellipsoide Form aufweist, die in der Außenform entsprechend der Darstellung der Fig. 2 im wesentlichen kreisrund ist. In der üblichen Weise ist das Ladegerät 10 mit dem Netz stecker 11 nach Euro-Norm einstückig ausgebildet und ver fügt über ein Ladekabel 12, mit welchem es an den jeweils zu ladenden Akku angeschlossen wird. Der äußere Aufbau des aus zwei Halbschalen 13 a und 13 b aufgebauten Gehäuses 13 vervollständigt sich durch einige Kühlrippen 14 und durch ein äußeres Anzeige- und Bedienungsfeld 15, welches aus zwei Leuchtdioden 16 a, 16 b besteht und einem Tastschalter 17. Die Ladeleitung 12 nimmt auch die elektrischen Zuleitungen für den Temperatursensor auf, wobei das Ladegerät über die Zuleitung 12 so mit den mit den Akkus ausgerüsteten Gerät oder nur mit einem Akkupack verbunden wird, daß der in der Zeichnung nicht dargestellte Stecker, in welchen der Temperatursensor in der bevorzugten Form eines NTC-Wider stands integriert ist, sich in einem direkten körperlichen Kontakt unmittelbar angrenzend zu dem oder den zu ladenden Akku(s) befindet.

Auf diese Weise ergibt sich eine Temperaturrückmeldung über den Erhitzungsgrad des oder der jeweils angeschlossenen Akkus, was in der Schnelladephase von Bedeutung ist.

Die Schaltung der Fig. 4 zeigt den elektrischen Aufbau des Ladegeräts unter Verwendung eines IC-Bausteins 18 als steuerndes und den Ladevorgang überwachendes Hauptelement.

Die von einem nicht dargestellten Transformator abwärts transformierte Wechselspannung liegt an den Eingangsklemmen 18 der Schaltung als U 1 an und gelangt über einen Brücken gleichrichter 19 als doppelweggleichgerichtete Halbwellen spannung zu einem Thyristor 20, der über die Ausgangs klemmen 21 a, 21 b in Reihe mit dem zu ladenden Akku 22 gegen Masse geschaltet ist.

Die Aussteuerung des Triac 20 erfolgt über einen vorge schalteten Halbleiter 22 als Stellglied, welches ebenfalls ein Triac oder Transistor sein kann.

Der IC-Baustein 17 hat eine Anzahl von Komparatoreingängen, an denen eine Widerstandskombination aus den Widerständen R 1, R 2, R 3 und R 4 anliegt, die von einer Gleichrichter- und Konstanthalteschaltung 23 mit Spannung versorgt werden. Ausgänge SL und DL des IC-Bausteins 17 steuern über vor geschaltete Widerstände R 5 und R 9 Leuchtdioden D 3 und D 2 an, wobei die Leuchtdiode D 3 bei Schnelladung und die Leuchtdiode D 2 bei Dauerladung aufleuchtet. Es ist ferner ein Eingang PT des IC-Bausteins 17 vorgesehen, dem über einen Widerstand R 10 ein Spannungssignal der an den zu la denden Akku anliegenden Spannung zugeführt wird; über den Ausgang OA steuert der IC-Baustein 17 das Stellglied 22 an, welches die Stromerzeugung über den Triac 20 steuert.

Dem Eingang CK 1 wird über den Widerstand R 8 und die Lei tung 24 vom sekundären Netztrafo die Netzfrequenz zugeführt, die als Zeitbasis für die Timerfunktion ausgenutzt wird. Die Taste T 1 dient als Starttaste der Einschaltung der Schnelladung und nach abermaliger Betätigung der Rück schaltung in den Dauerladungszustand (sogenannte Toggle- Funktion).

Der IC-Baustein 17 ist so ausgelegt und geschaltet, daß nach Anschluß von Netz und Batterie das Ladegerät zunächst und immer dann, wenn eine Tasterbetätigung ausbleibt, im Zustand der Dauerladung bzw. Erhaltungsladung bleibt. Diese Dauerladung kann dann durch die kontinuierlich leuchtende Leuchtdiode D 2 angezeigt werden.

Wird die Starttaste T 1 betätigt, dann ergibt sich durch das kurzzeitige Anlegen des Massepotentials an den Eingang FS des IC-Bausteins 17 ein Umschaltvorgang und die Schnellade phase mit wesentlich erhöhtem, dem angeschlossenen Akku 22 zugeführten Strom beginnt, wobei je nach Wunsch und nach Auslegung entweder wahlweise die zweite Leuchtdiode D 3 kontinuierlich aufleuchtet oder auch bei Verbindung des zweiten Anschlußpins für diese Leuchtdiode mit Masse die erste Leuchtdiode D 2 dann blinkt (etwa 2 Hz). Dies hängt natürlich von der Auslegung des IC-Bausteins ab.

Der Temperatursensor P 1 in Form eines NTC-Widerstands ist so geschaltet, daß nach Ablauf eines vorgegebenen Zeit raums, beispielsweise von 4 Minuten und dann jeweils wieder holend in diesen Zeitabständen die Temperaturmessung des Akkus über den NTC-Widerstand P 1 abgefragt wird.

Dabei ergibt sich bei bestehender Schnelladung eine Rück schaltung auf den Zustand der Dauerladung bei

1) Überschreiten einer oberen Temperatur von 45°C (± eines Toleranzwerts, beispielsweise 5°C) bzw.
2) Unterschreiten einer unteren Temperatur von 5°C (eben falls ± eines Toleranzwerts von z.B. 5°C).

Außerdem geht nach einer über eine äußere Schaltung program mierbaren Zeitdauer die Schaltung aufgrund der IC-Funktion automatisch aus der Schnelladephase in den Dauerladungszu stand zurück, wobei eine Timerfunktion des IC die einstell bare Zeitdauer überwacht, die je nach Auslegung des Lade geräts auf Art, Kapazität und Anzahl der angeschlossenen Akkus beispielsweise bei einer halben Stunde, einer Stunde oder zwei Stunden liegen kann (Timerfunktion).

Als Zeitbasis für diese Timerfunktion dient die dem An schluß CK 1 zugeführte Netzfrequenz von 50, gegebenenfalls auch von 60 Hz.

Die Stromerzeugung, d.h. die Stromzeitfläche der von dem Triac 20 je nach Tastverhältnis durchgelassenen Netzim pulspakete ergibt sich durch die Ansteuerung des Triacs vom Stellgliedausgang OA des IC-Bausteins 17 über das Stell glied 22 wobei das Tastverhältnis durch eine entsprechende Programmierung der Anschlüsse für die Spannungs- und Kapazi tätsanpassung an den noch frei verfügbaren Eingängen (Pro grammiereingänge) je nach den Erfordernissen vorgenommen werden kann. Dabei kann das Stellglied wahlweise ein Triac oder ein Transistor sein; bei Triac-Steuerung wird der Triac in der einen Phase mit Zündimpulsen versorgt; ein Transistor wie in der Zeichnung dargestellt erhält während der einen Phase kontinuierlichen Steuerstrom. Je nachdem also, ob sich das Ladegerät in der Schnelladephase oder in der Er haltungsladephase befindet, wird der Triac 20 über das Stellglied 22 unterschiedlich angesteuert, so daß sich eine auf den jeweiligen angeschlossenen Akku abgestimmte unterschiedliche Stromlieferung an den Außenanschlüssen 21 a, 21 b des Ladegeräts ergibt. Es wird nochmals darauf hinge wiesen, daß der NTC-Widerstand P 1 für die Temperaturmessung des oder der angeschlossenen Akkus so räumlich angeordnet ist, daß er sich im Betrieb in unmittelbar angrenzender körperlicher Nähe zu dem Akku befindet; vorzugsweise ist er daher in den Anschlußstecker integriert und seine elek trischen Zuleitungen verlaufen in dem Ladekabel 12.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungs wesentlich sein.

Claims

1. Ladegerät für Akkus, Batterien u.dgl., mit Transformator, Gleichrichter und Mitteln zur Umschaltung zwischen Schnell und Dauerladung (Erhaltungsladung), dadurch gekennzeich net,
daß die Ladeschaltung des Ladegeräts (10) so ausgelegt ist, daß bei Ingebrauchnahme auf Dauerladung geschaltet ist,
daß ein von außen betätigbarer Schalter (Tastschalter T 1) vorgesehen ist, der eine willkürliche Umschaltung zwischen Schnelladung und Dauerladung ermöglicht,
daß ein den Erwärmungsgrad des jeweils angeschlossenen Akkus erfassender Temperatursensor (NTC-Widerstand P 1) vorgesehen ist, der so auf die Ladeschaltung rückwirkt,
daß mindestens bei Überschreiten eines vorgegebenen Temperaturlimits zwangsweise von Schnelladung auf Dauer ladung rückgeschaltet wird und
daß parallel hierzu eine Zeitschaltung vorgesehen ist, die nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraums nach Über gang auf Schnelladung ebenfalls aus dieser auf Dauer ladung rückschaltet.

2. Ladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem insgesamt abgerundeten, annäherend eiförmigem Gehäuse ein mindestens eine den jeweiligen Ladezustand anzeigende Leuchtdiode (D 3, D 2) sowie einen Tastschalter (T 1) für die willkürliche Umschaltung zwischen Schnell ladung und Dauerladung in beliebiger Abfolge umfassendes Bedienungsfeld (15) angeordnet ist.

3. Ladegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Leuchtdiode (D 2) für die Anzeige des Dauerladungszustands und eine zweite Leuchtdiode (D 3) für die Anzeige des Schnelladezustands vorgesehen sind.

4. Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß die runde Gehäuseform im Querschnitt zusammengedrückt-elliptisch ist.

5. Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß für die Durchführung der Stromsteue rung- und Überwachungsvorgänge ein integrierter Baustein (IC-Baustein 17) vorgesehen ist, der durch eine zusätz liche äußere Beschaltung entsprechend den gewünschten Funktionen, Zeitdauern, Stromgrößen u.dgl. programmier bar ist.

6. Ladegerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung der Timer funktion für die Zeitdauerüberwachung der Schnelladung die über einen Widerstand dem IC-Baustein (17) zuge führte Netzfrequenz als Zeitbasis verwendet ist.

7. Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß die Stromsteuerung durch Veränderung des Tastverhältnisses eines Triacs (20) erfolgt, der von dem IC-Baustein (17) je nach verlangtem Ladevorgang (Schnelladung - Dauerladung) und in Abhängigkeit zu vorprogrammierten, auf die Art des angeschlossenen Akkus abgestimmten Werten über ein Stellglied (22) angesteuert ist.

8. Ladegerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied ein Triac oder ein Transistor ist, wobei der Triac mit Zündimpulsen zu seiner Durchschaltung versorgt wird, während dem Transistor ein kontinuier licher Steuerstrom zugeführt ist.

9. Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß die Temperaturmessung des jeweils zur Ladung angeschlossenen Akkus nach vorgegebenen Zeiträumen wiederholt vom IC-Baustein (17) abgefragt und bei einen vorgegebenen Grenzwert überschreitender Akku-Temperatur zwangsweise von Schnelladung auf Dauerladung zurückge schaltet wird.