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Die Erfindung betrifft ein Batterieladegerät zum Aufladen einer Batterie, beispielsweise zur Verwendung in elektrisch angetriebenen Werkzeugmaschinen.
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Aus der
DE 25 20 599 A1 ist eine Schaltungsanordnung bekannt zum Laden von Akkumulatoren mit einer Temperaturerfassungseinrichtung, welche einen ersten, auf die Batterietemperatur ansprechenden temperaturabhängigen Widerstand RBT und mit einen zweiten auf die Umgebungstemperatur ansprechenden temperaturabhängigen Widerstand RAT aufweist. An deren Mittelabgriff liegt eine von der Batterietemperatur und der Umgebungstemperatur abhängige Spannung, welche einem Temperaturdifferenzfühler OA1 zugeführt wird zur Erzeugung eines positiven Signals, wenn die aufzuladende Batterie angeschaltet ist und ihre Temperatur innerhalb eines auf die Umgebungstemperatur bezogenen Temperaturbereichs liegt. Dieses Ausgangssignal dient zur Einschaltung eines Gleichrichters einer Spannungsquelle. Ist der Gleichrichter leitend, wird ein relativ großer Ladestrom an die Batterie B geliefert, während, im nicht-leitenden Zustand des Gleichrichters ein relativ kleiner Ladestrom an die Batterie
3 geliefert wird. Mit dieser Schaltungsanordnung wird eine Batterie bei Umgebungstemperaturen zwischen +5 und +45°C aufgeladen, wobei der Ladevorgang von schnell auf langsam übergeht, wenn sich die Batterie auf eine Temperatur erwärmt hat, die um 10°C über der Umgebungstemperatur liegt.
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Die
FR 25 19 480 A1 beschreibt einen Stromsteuerschaltkreis mit einem Thyristor, der zwischen eine Wechselspannungsquelle und die Primärseite eines Transformators geschaltet ist. Der Zündwinkel des Thyristors wird dabei in Abhängigkeit von der Transformatortemperatur eingestellt. Eine im Prinzip ähnlich wirkende Ladevorrichtung ist auch aus der
CH 575 674 A bekannt.
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Die
DE 25 41 436 A1 zeigt eine Konstantstrom-Batterieladeschaltung mit einer Leistungsquelle, deren Ausgang über einen Thyristor und einen Widerstand R1 an den Plus-Anschluss einer Batterie gelegt ist, und deren Minus-Anschluss mit Masse verbunden ist. An den Widerstand sind Stromfühlermittel angeschlossen, deren Ausgangssignal den Thyristor CCD steuern, um einen konstanten Ladestrom anzustreben, wobei jedoch keine Temperaturerfassungseinrichtung vorhanden ist.
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Aus der
JP 50-44628 U1 ist ein Batterie-Ladegerät bekannt mit einer Temperaturerfassungseinrichtung zum Erfassen von Niedrig-Temperaturen und Normal-Temperaturen der Batterie und mit einer Steuereinrichtung zum Laden der Batterie in einem Schnellverfahren oder in einem Normalverfahren. Das Ladegerät umfasst eine Spannungsquelle zur Erzeugung einer Ladespannung sowie eine Einrichtung zur Erfassung der Temperatur der Batterie. Das Ladegerät umfasst außerdem eine Steuereinrichtung, die den Ladestrom mit ansteigender Temperatur erhöht und mit fallender Temperatur verringert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, selbst bei Verwendung einer Elektrolyt-Batterie ein geeignetes Ladegerät zu schaffen, mit dem die Batterie auch bei einer niedrigen Temperatur ohne Gefahr der Beschädigung oder Zerstörung vergleichsweise schnell aufgeladen werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Batterieladegerät nach dem Patentanspruch 1 gelöst.
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Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Insbesondere kann das erfindungsgemäße Ladegerät umfassen; eine Leistungsquelleneinreichtung 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.
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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.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sowie deren Eigenschaften und Vorteile werden im folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine Schaltung einer ersten Ausführungsform der Erfindung für eine schnelle und langsame Ladung einer Batterie;
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2A bis 2B Diagramme mit Wellenformen zur Beschreibung des Betriebs der Ausführungsform gemäß 1; und
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3 eine Schaltung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung für eine schnelle und langsame Ladung einer Batterie.
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Im Folgenden wird zunächst die erste Ausführungsform der Erfindung gemäß 1 und 2 näher beschrieben.
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Ein in 1 dargestelltes Batterie-Schnelladegerät umfaßt einen Isoliertransformator 4 mit einer primären Wicklung, die an eine Wechselspannungsquelle 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.
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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 ersten Teil als normalerweise geschlossenen Relaiskontakt 17a, einen zweiten Teil als 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.
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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.
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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.
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Der Startschalter-Schaltkreis umfaßt einen Thyristor 12, einen Widerstand 13 und einen Startschalter 14.
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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.
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Der Steuerschaltkreis 5 steuert die Ausgangsspannung der Gleichrichterbrücke 11 in Abhängigkeit von der durch den Thermistor 22 erfaßten Temperatur. Wenn die Batterietemperatur über einem 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.
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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.
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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 2D dargestellt. Wie gezeigt fließt aufgrund des Vorstellens des Zündwinkels ein großer Ladestrom von mehr als 5C in die Batterie 2, wie in 2E dargestellt.
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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 geöffnet. 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 2B dargestellt. Aufgrund des Nacheilens des Zündwinkels ist der Ladestrom reduziert auf weniger als 1C wie in 2C dargestellt.
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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.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem gleiche Bezugszeichen gleiche Komponenten oder Elemente wie zuvor beschrieben kennzeichnen.
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In dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird eine Konstantstromversorgungseinrichtung 25 vom Rückkopplungstyp anstelle des Steuerschaltkreises 5 verwendet. Die Einheit 25 besitzt einen Ausgangsanschluß IOUT und einen Erfassungseingangsanschluß (VDET), wobei ein konstanter Ladestrom vom Ausgangsanschluß IOUT abhängig von der zum Erfassungseingangsanschluß VDET 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 (VDET) 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.
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Über den Shunt-Widerstand 26 wird der Ladestrom erfaßt und über den Operationsverstärker 27 an den Erfassungseingang (VDET) der Konstantstromversorgungseinheit 25 zugeführt.
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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 (VDET) der Konstantstromversorgungseinheit 25 zugefhrt wird, gibt letztere einen reduzierten Betrag des Ladestromes am Ausgangsanschluß (IOUT) ab. Der Schaltkreis ist so ausgelegt, daß der Ladestrom kleiner als 1C vom Ausgangsanschluß (IOUT) versorgt wird, wenn die Temperatur der Batterie 2 oder die Umgebungstemperatur unter 0°C liegt.
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Andererseits, in der Schnelladebetriebsart in einem Zeitpunkt, wenn die Temperatur der Batterie 2 oder die Umgebungstemperatur über 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 (VRET) der Konstantstromversorgungseinheit 25 zugeführt wird. Die Einheit 25 versorgt einen erhöhten Wert des Ladestromes zur Batterie 2 vom Ausgangsanschluß (IOUT). Der Schaltkreis ist so konfiguriert, daß der Ladestrom von mehr als 5C vom Ausgangsanschluß (IOUT) zugeführt wird, wenn die Temperatur der Batterie 2 oder die Umgebungstemperatur über 0°C liegt.
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Die Einheit 25 stellt eine konstante Spannung an ihrem VREF - Anschluß bereit, die verwendet wird, um die Operationsverstärker 18 und 27 zu betreiben.
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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.
