DE4123168A1 - Batterieschnelladegeraet mit langsamlade-betriebsart bei niedriger temperatur - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Batterieschnellader und genauer einen Batterieschnellader mit einer Laderate von mehr als 5C, wobei C eine Batterieladerate ist und einen Ladestrom repräsentiert, der für das Laden der Batterie in einer Stunde erforderlich ist.

Kürzlich wurden batteriebetriebene drahtlose Produkte, die kein Versorgungskabel erfordern, in verschiedenen Bereichen extensiv verwendet. Im Bereich der elektrisch angetriebenen Werkzeugmaschinen wurden drahtlose Werkzeugmaschinen in weitem Maße verwendet. Derartige drahtlose Werkzeugmaschinen verwenden typischerweise einen Nickel-Cadmium-Akkumulator als Versorgungsbatterie, dessen innerer Widerstand so klein ist, daß ein großer Strom von dort aus zugeführt werden kann und dessen Standzeit unter wiederholten Aufladungen und Entladungen relativ lang ist.

Um eine rasche Aufladung der Batterie durchzuführen, wurde hauptsächlich ein Batterie-Ladegerät mit einer Laderate von 1C verwendet. Kürzlich wurde das Batterieladegerät mit einer Laderate von 5C angeboten.

Jedoch neigt die Lebensdauer des Nickel-Cadmium-Akkumulators dazu, extrem verkürzt zu werden, wenn die Batterie schnell bei niedrigen Temperaturen, d. h. weniger als 0°C aufgeladen wird. Da ein Elektrolyt anfällig dafür ist, aus der Batterie auszulaufen und ein in der Batterie verwendetes Isoliermaterial dafür anfällig ist, aufgrund eines abrupten Anstiegs eines inneren Gasdrucks der Batterie beschädigt zu werden. Aus diesem Grund werden die Verbraucher davon gewarnt, eine Schnelladung der Nickel-Cadmium-Batterien bei Niedrig-Temperatur-Umständen durchzuführen. Dies bedeutet die Unmöglichkeit des Einsatzes der batteriebetriebenen Geräte unter einem derartigen Umstand.

Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die zuvor erwähnten Probleme, die mit den herkömmlichen Batterieladegeräten einhergingen, zu lösen, und es ist dementsprechend eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batterieladegerät zu schaffen, das die Batterie selbst bei einer niedrigen Temperatur ohne Zerstörung der Batterie aufladen kann.

Um diese und andere Aufgaben zu lösen wird ein Batterieladegerät zur Aufladung einer Batterie geschaffen, das umfaßt: eine Leistungsquelleneinrichtung zur Erzeugung einer Ladespannung an ihrem Ausgang, um die Batterie mit einem Ladestrom zu laden; eine Temperaturerfassungseinrichtung zur Erfassung einer Temperatur der Batterie oder einer Umgebungstemperatur, wobei die Temperaturerfassungseinrichtung ein erstes Erfassungssignal erzeugt, wenn die Temperatur über einem vorbestimmten Wert liegt und ein zweites Erfassungssignal erzeugt, wenn die Temperatur unter dem vorbestimmten Wert liegt; und eine Steuereinrichtung, die an die Leistungsquelleneinrichtung zur Steuerung des Ausgangssignals der Leistungsquelleneinrichtung angeschlossen ist, wobei im Ansprechen auf das erste Erfassungssignal die Steuereinrichtung die Leistungsquelleneinrichtung steuert, um den Ladestrom in die Batterie derart fließen zu lassen, daß die Batterie in einer Schnelladebetriebsart aufgeladen wird und wobei im Ansprechen auf das zweite Erfassungssignal die Steuereinrichtung die Leistungsquelleneinrichtung steuert, um den Ladestrom in die Batterie derart zu lassen, daß die Batterie in einer Langsamladebetriebsart mit einer langsameren Laderate als in der Schnelladebetriebsart aufgeladen wird.

In der Schnelladebetriebsart ist der Ladestrom größer als 5C, wobei C einen Ladestrom repräsentiert, der für das Aufladen einer Batterie in einer Stunde erforderlich ist und in der Langsamladebetriebsart ist der Ladestrom gleich oder weniger als 1C.

Die obigen und andere Aufgaben sowie Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die in Form von erläuternden Beispielen dargestellt sind, unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen genauer hervor, in denen zeigt:

Fig. 1 ein Schaltkreisdiagramm eines Batterie-Schnelladegeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2A bis 2C Wellenformdiagramme zur Beschreibung des Betriebs des Schaltkreises aus Fig. 1; und

Fig. 3 ein Schaltkreisdiagramm eines Batterie-Schnelladegerätes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben.

Ein in Fig. 1 dargestelltes Batterie-Schnelladegerät umfaßt einen Isoliertransformator 4 mit einer primären Wicklung, die an eine Wechselstromspannungsquelle 1 angeschlossen ist und mit einer Sekundärwicklung, die an eine Gleichrichterbrücke 11 über einen Spannungssteuerschaltkreis 5 angeschlossen ist. Das Ausgangssignal der Gleichrichterbrücke 11 ist an einen Kondensator 15 angeschlossen, über den ein Nickel-Cadmium-Akkumulator 2 (Ni-Cd) über einen Startschalter-Schaltkreis angeschlossen ist. Ein Thermostat 3 ist thermisch an den Ni-Cd-Akkumulator 2 gekoppelt, um dessen Temperatur zu erfassen.

Der Spannungs-Steuerschaltkreis 5 umfaßt einen bidirektionalen Thyristor 6, bekannt als TRIAC (Triode AC Semiconductor Switch), einen Widerstand 7, einen variablen Widerstand 8, einen Kondensator 10, einen bidirektionalen Diodenthyristor 9, bekannt als BIAC, einen normalerweise geschlossenen Relaiskontakt 17a, einen Transistor 16, eine Relaisspule 17, einen Vergleicher 18, Widerstände 19 bis 21, einen Thermistor 22 und einen Drei-Anschluß-Regler 23. Der Relaiskontakt 17a ist über dem variablen Widerstand 8 angeschlossen und eine Serienschaltung der Widerstände 7 und 8 und des Kondensators 10 ist über den TRIAC 6 angeschlossen. Der BIAC 9 ist zwischen das Gate des TRIACs 6 und dem Kontakt zwischen dem Widerstand 8 und dem Kondensator 10 angeschlossen.

Der Drei-Anschluß-Regler 23 ist vorgesehen, um eine konstante Spannung zur Versorgung des Komparators 18 und zum Aufbauen einer Spannung über jedem der Widerstände 19 bis 21 und dem Thermistor 22 zu erzeugen. Der Vergleicher 18 besitzt einen invertierenden Eingangsanschluß, an den eine Referenzspannung zugeführt wird, die über dem variablen Widerstand 20 abfällt, und einen nicht-invertierenden Eingangsanschluß, dem eine Erfassungsspannung zugeführt wird, die über dem Thermistor 22 abfällt, wobei die Erfassungsspannung einer Batterietemperatur oder einer Umgebungstemperatur entspricht. Auf einen Vergleich der Erfassungsspannung mit der Referenzspannung hin gibt der Vergleicher 18 entweder ein hochpegeliges oder ein niederpegeliges Ausgangssignal ab.

Im einzelnen wurden die Widerstandswerte der Elemente 19 bis 22 derart festgelegt, daß, wenn die Batterietemperatur gleich oder kleiner als 0°C ist, wobei die Erfassungsspannung größer ist als die Referenzspannung, der Komparator 18 das hochpegelige Signal abgibt, wohingegen, wenn die Batterietemperatur höher ist als 0°C, wobei die Erfassungsspannung kleiner ist als die Referenzspannung, der Vergleicher 18 das niederpegelige Signal abgibt. Das Ausgangssignal des Vergleichers 18 wird über den Widerstand 24 zur Basis des Transistors 16 geführt, der wiederum an die Relaisspule 17 angeschlossen ist.

Der Startschalter-Schaltkreis umfaßt einen Thyristor 12, einen Widerstand 13 und einen Startschalter 14.

Im Betrieb, wenn die Wechselspannungsquelle über die Primärwicklung des Transformators 4 angeschlossen ist, wird die sich über der Sekundärwicklung des Transformators 4 aufbauende Wechselspannung dem TRIAC 6 zugeführt. Durch Anschließen des Akkumulators 2 und Schließen des Startschalters 14 fließt ein Gatestrom in den Thyristor 12, so daß letzterer leitend wird. Der Akkumulator 2 beginnt dann sich aufzuladen. Mit fortschreitender Ladung und wenn der Akkumulator 2 in einem im wesentlichen vollständigen aufgeladenen Zustand gebracht wird, wird die Batterie 2 abrupt auf eine hohe Temperatur aufgeheizt. Im Ansprechen auf die Temperaturerhöhung in der Batterie 2 wird der Kontakt des Thermostaten 3 geöffnet und dadurch der Aufladestrom unterbrochen. Der Thyristor 12 wird wiederum nicht-leitend und daher ist der Ladebetrieb beendet.

Der Steuerschaltkreis 5 steuert die Ausgangsspannung der Gleichrichterbrücke 11 in Abhängigkeit von der durch den Thermistor 22 erfaßten Temperatur. Wenn die Batterietemperatur über einen vorbestimmten Wert, etwa 0°C liegt, steuert der Steuerschaltkreis 5 die Ausgangsspannung der Gleichrichterbrücke 11 derart, daß eine Spannung für die Aufladung der Batterie 2 in einer Schnelladebetriebsart erzeugt wird. Wenn die Batterietemperatur unter 0°C liegt, steuert der Steuerschaltkreis 5 die Ausgangsspannung der Gleichrichterbrücke 11 derart, daß eine Spannung zur Aufladung der Batterie 2 in einer Langsamladebetriebsart mit einer langsameren Laderate als in der Schnelladebetriebsart erzeugt wird.

Der Steuerschaltkreis 5 steuert die Ausgangsspannung der Gleichrichterbrücke 11 durch Veränderung des Zündwinkels des TRIACS 6. Der Zündwinkel des TRIACS 6 wird bestimmt durch die Zeitkonstante der Schaltung aus Widerstand 7 und Kondensator 10 oder der Schaltung aus Widerstand 7, variablem Widerstand 8 und Kondensator 10. Der Zündwinkel des TRIAC 6 wird ferner bestimmt durch die Kippspannung des BIAC 9. Wenn der Relaiskontakt 17a im geöffneten Zustand ist, wird die Zeitkonstante bestimmt durch die Reihenschaltung des Widerstandes 7 und des Widerstandes 8 und dem Kondensator 10. Andererseits wird, wenn der Relaiskontakt 17a im geschlossenen Zustand ist, die Zeitkonstante bestimmt durch den Widerstand 7 und den Kondensator 10.

Wenn die Temperatur des Akkumulators 2 über 0°C liegt, wird der Akkumulator 2 aufgeladen in einer Schnelladebetriebsart, in der der Ladestrom größer ist als 5C, wobei C einen Ladestrom repräsentiert, der zum Aufladen des Akkumulators in einer Stunde erforderlich ist. In der Schnelladebetriebsart ist das Ausgangssignal des Vergleichers 18 auf niedrigem Pegel, so daß der Transistor 16 nicht-leitend ist. Die Relaisspule 17 wird nicht erregt und daher wird der Relaiskontakt 17a im geschlossenen Zustand gehalten, mit dem Ergebnis, daß der variable Widerstand 8 kurzgeschlossen ist. Der Zündwinkel des TRIACs 6 wird daher bestimmt in Abhängigkeit von der Zeitkonstanten des Widerstandes 7 und des Kondensators 10. Die Ausgangswellenform der Gleichrichterbrücke 11 in der Schnelladebetriebsart ist in Fig. 2D dargestellt. Wie gezeigt fließt aufgrund des Vorstellens des Zündwinkels ein großer Ladestrom von mehr als 5C in die Batterie 2, wie in Fig. 2E dargestellt.

Andererseits, wenn die Temperatur der Batterie 2 unter 0°C liegt, wird die Batterie in der Langsamladebetriebsart aufgeladen, in der der Ladestrom gleich oder kleiner als 1C ist. In der Langsamladebetriebsart ist das Ausgangssignal des Vergleichers 18 auf einem hohen Pegel, so daß der Transistor 16 leitend ist. Die Relaisspule 17 wird daher erregt und der Relaiskontakt 17a ist geschlossen. Zu diesem Zeitpunkt wird der Zündwinkel des TRIAC 6 bestimmt in Abhängigkeit von der Zeitkonstanten des Widerstandes 7, des variablen Widerstandes 8 und des Kondensators 10. Die Ausgangswellenform der Gleichrichterbrücke 11 in der Langsamladebetriebsart ist in Fig. 2B dargestellt. Aufgrund des Nacheilens des Zündwinkels ist der Ladestrom reduziert auf weniger als 1C wie in Fig. 2C dargestellt.

Wie beschrieben, wird die Schnelladung der Batterie im Fall niedriger Temperaturen nicht durchgeführt, jedoch wird ermöglicht, daß die Batterie in der Langsamladebetriebsart ohne Zerstörung der Batterie aufgeladen wird.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten oder Elemente wie zuvor beschrieben kennzeichnen.

In dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine Konstantstromversorgungseinrichtung 25 vom Rückkopplungstyp anstelle des Steuerschaltkreises 5 verwendet. Die Einheit 25 besitzt einen Ausgangsanschluß I_OUT und einen Erfassungseingangsanschluß (V_DET), wobei ein konstanter Ladestrom vom Ausgangsanschluß I_OUT abhängig von der zum Erfassungseingangsanschluß V_DET zurückgeführten Spannung zugeführt wird, die dem Ladestrom, der in die Batterie 2 fließt, entspricht. Ein Operationsverstärker 27 ist zwischen dem Ausgangsanschluß des Operationsvertärkers 18 und den Erfassungseingangsanschluß (V_DET) der Einheit 25 angeschlossen. Widerstände 29, 30 und 33 sind im Zusammenhang mit dem Operationsverstärker 27 vorgesehen, die einen Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers festlegen. Ein FET 28 ist angeschlossen, um den Widerstand 29 kurzzuschließen, wenn er leitend ist. Im einzelnen ist das Gatter des FET 28 angeschlossen an den Ausgang des Operationsverstärkers 18. Der Widerstand 29 liegt zwischen Drain und Source des FET 28. Ein Shunt-Widerstand 26 ist vorgesehen, um den Ladestrom zu erfassen.

Über den Shunt-Widerstand 26 wird der Ladestrom erfaßt und über den Operationsverstärker 27 an den Erfassungseingang (V_DET) der Konstantstromversorgungseinheit 25 zugeführt.

In der Langsamladebetriebsart in einem Zeitpunkt, wenn die Temperatur der Batterie 2 oder eine Umgebungstemperatur unter 0°C ist, ist das Ausgangssignal des Vergleichers 18 auf hohem Pegel und daher wird das Gate des FET 28 mit einer hohen Spannung versorgt, um leitend gemacht zu werden. Als Ergebnis wird der Widerstand 29 kurzgeschlossen und daher ist der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers 27 auf einen Wert erhöht, der durch ein Verhältnis der Widerstandswerte der Widerstände 33 und 30, d. h. R₃₃/R₃₀ repräsentiert wird, wobei R₃₃ und R₃₀ die Widerstandswerte der Widerstände 33 bzw. 30 sind. Da eine hohe Spannung an den Erfassungseingangsanschluß (V_DET) der Konstantstromversorgungseinheit 25 zugeführt wird, gibt letztere einen reduzierten Betrag des Ladestromes am Ausgangsanschluß (I_OUT) ab. Der Schaltkreis ist so ausgelegt, daß der Ladestrom kleiner als 1C vom Ausgangsanschluß (I_OUT) versorgt wird, wenn die Temperatur der Batterie 2 oder die Umgebungstemperatur unter 0°C liegt.

Andererseits, in der Schnelladebetriebsart in einem Zeitpunkt, wenn die Temperatur der Batterie 2 oder die Umgebungstemperatur 0°C liegt, ist der FET 28 nicht-leitend und der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers 27 wird verringert, da er durch die Widerstandswerte der Widerstände 33, 30 und 29 bestimmt wird. D. h. der Verstärkungsfaktor des Operationsverstärkers 27 wird in diesem Fall bestimmt durch R₃₃/R₃₀+R₂₉, wobei R₂₉ der Widerstandswert des Widerstandes 29 ist, so daß eine niedrige Spannung an den Erfassungseingangsanschluß (V_RET) der Konstantstromversorgungseinheit 25 zugeführt wird. Die Einheit 25 versorgt einen erhöhten Wert des Ladestromes zur Batterie 2 vom Ausgangsanschluß (I_OUT). Der Schaltkreis ist so konfiguriert, daß der Ladestrom von mehr als 5C vom Ausgangsanschluß (I_OUT) zugeführt wird, wenn die Temperatur der Batterie 2 oder die Umgebungstemperatur über 0°C liegt.

Zwischenzeitlich stellt die Einheit 25 eine konstante Spannung an ihrem V_REF-Anschluß bereit, die verwendet wird, um die Operationsverstärker 18 und 27 zu betreiben.

Während die vorliegende Erfindung im Hinblick auf spezielle Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, erkennt der Fachmann, daß es zahlreiche mögliche Modifikationen und Veränderungen gibt, die in den beispielhaften Ausführungsformen durchgeführt werden können, während weiterhin die neuen Eigenschaften und Vorteile der Erfindung beibehalten werden. Zum Beispiel, obwohl die Nickel-Cadmium-Batterie, dargestellt wurde und als eine wiederaufladbare Batterie beschrieben wurde, die durch das Batterieladegerät der vorliegenden Erfindung aufgeladen wird, sind andere Arten von wiederaufladbaren Batterien verwendbar. Ferner wurde die langsame Ladebetriebsart beschrieben in Bezug auf eine spezifische Temperatur des Akkumulators, bei dessen Temperatur, die zur Langsamladebetriebsart führt, willkürlich in Abhängigkeit von den Eigenschaften des verwendeten Akkumulators festgelegt werden kann. Ferner kann, während in der vorangegangenen Beschreibung entweder der Schnell- und der Langsamlademodus ausgewählt wird, in Reaktion auf die Temperatur der Batterie dieser Vorgang durchgeführt werden durch Erfassen der Umgebungstemperatur.

Claims (7)

1. Batterieladegerät zum Aufladen einer Batterie mit:
einer Leistungsquelleneinrichtung zur Erzeugung einer Ladespannung an ihrem Ausgang, um die Batterie mit einem Ladestrom zu laden;
einer Temperaturerfassungseinrichtung zur Erfassung einer Temperatur der Batterie oder einer Umgebungstemperatur, wobei die Temperaturerfassungseinrichtung ein erstes Erfassungssignal erzeugt, wenn die Temperatur über einem vorbestimmten Wert liegt und ein zweites Erfassungssignal erzeugt, wenn die Temperatur unter dem vorbestimmten Wert liegt; und
einer Steuereinrichtung, die an die Leistungsquelleneinrichtung zur Steuerung des Ausgangssignals der Leistungsquelleneinrichtung angeschlossen ist, wobei im Ansprechen auf das erste Erfassungssignal die Steuereinrichtung die Leistungsquelleneinrichtung steuert, um den Ladestrom in die Batterie derart fließen zu lassen, daß die Batterie in einer Schnelladebetriebsart aufgeladen wird und wobei im Ansprechen auf das zweite Erfassungssignal die Steuereinrichtung die Leistungsquelleneinrichtung steuert, um den Ladestrom in die Batterie derart zu lassen, daß die Batterie in einer Langsamladebetriebsart mit einer langsameren Laderate als die Schnelladebetriebsart aufgeladen wird.

2. Batterieladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Schnelladebetriebsart der Ladestrom größer ist als 5C, wobei C einen Ladestrom repräsentiert, der zum Aufladen der Batterie in einer Stunde erforderlich ist, und in der Langsamladebetriebsart der Ladestrom gleich oder weniger als 1C ist.

3. Batterieladegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Gate-gesteuerte Schalteinrichtung umfaßt, die ein Gate, dem Triggersignale zugeführt werden, besitzt, wobei jedes Triggersignal zu einem Zeitpunkt erzeugt wird, der durch jedes der ersten und zweiten Erfassungssignale bestimmt wird, wobei die Schalteinrichtung für eine Dauer eingeschaltet wird, die durch die Zeitspanne festgelegt wird, in der das Triggersignal erzeugt wird.

4. Batterieladegerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung ferner umfaßt eine erste Zusammenschaltung aus einem Kondensator und einem Widerstand, wobei die erste Zusammenschaltung eine erste Zeitkonstante zur Bestimmung der Zeitspanne, in der das Triggersignal im Zusammenspiel mit dem ersten Erfassungssignal erzeugt wird, angibt, und eine zweite Zusammenschaltung aus einem Kondensator und einem Widerstand, wobei die zweite Zusammenschaltung eine zweite Zeitkonstante zur Bestimmung der Zeit, in der das Triggersignal im Zusammenspiel mit dem zweiten Erfassungssignal erzeugt wird, angibt.

5. Batterieladegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Konstantstromzuführeinrichtung mit einem Erfassungsanschluß und einem Ausgangsanschluß, wobei die Konstantstromzuführeinheit vom Ausgangsanschluß den Ladestrom zuführt, dessen Pegel bestimmt wird in Abhängigkeit von einer Spannung, die dem Erfassungsanschluß zugeführt wird, und eine Spannungszuführeinrichtung aufweist, die an die Temperaturerfassungseinrichtung zur Zuführung der Spannung an den Erfassungsanschluß der Konstantstromzuführeinrichtung angeschlossen ist, wobei die Spannungszuführeinrichtung eine erste Spannung anlegt, wenn das erste Erfassungssignal von der Temperaturerfassungseinrichtung erzeugt wird, und eine zweite Spannung anlegt, wenn das zweite Erfassungssignal von der Temperaturerfassungseinrichtung erzeugt wird, wodurch der Pegel des Ladestroms in Abhängigkeit von der Temperatur der Batterie verändert werden kann.

6. Batterieladegerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungszuführeinrichtung eine Spannungsverstärkungseinrichtung umfaßt, deren Verstärkungsfaktor in Abhängigkeit von jedem der ersten und zweiten Erfassungssignale verändert wird.

7. Batterieladegerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterie ein Ni-Cd-Akkumulator ist.