DE4400264C2 - Schaltungsanordnung für ein Batterieladegerät - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für ein Batterieladegerät nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Bei der Ladung von Bleibatterien wird im wesentlichen zwi­ schen zwei Grundverfahren unterschieden:

• - Ladung nach einer W-Kennlinie durch eine einen Streufeld­ transformator aufweisende Schaltungsanordnung
• - Ladung nach einer IU-Kennlinie mit elektronisch geregel­ ten Ladeschaltungen.

Bei den Schaltungsanordnungen für eine Ladung nach W-Kenn­ linie wird der Kennlinienverlauf der Ladeschaltungen durch die natürliche Kennlinie der Geräte selbst bestimmt, näm­ lich durch die Streuung des sogenannten Streufeldtransfor­ mators, durch Ladedrosseln und den Gleichrichterinnen­ widerstand. Derartige Schaltungsanordnungen sind sehr wirtschaftlich, haben jedoch einige Nachteile.

Bei der Ladung von Bleibatterien ist die sogenannte Nach­ ladephase von Bedeutung, in welcher die Batterie zum Aus­ gleich von Ladungsdefiziten einzelner Zellen und zum Abbau von Säureschichtungen gezielt überladen wird. Die besonde­ ren Anforderungen von wartungsfreien Batterien (Gel-Batte­ rien) in der Nachladephase erfordern geregelte Ladegeräte, weil die bei Ladegeräten mit Streufeldtransformator in der Nachladephase fließenden Ladeströme zur Schädigung des Elektrolyten führen können. Ein weiterer Nachteil ist, daß der Transformator materialaufwendig dimensioniert wird, so daß er sich auch im Überlastfall nicht unzulässig erwärmt. Wahlweise muß er durch aufwendige Überlastschutzschalter geschützt werden.

Bei Erreichen des Volladezustands schaltet eine Steuer­ elektronik die Ladeschaltung über ein Schütz ab. Für die Versorgung der Steuerelektronik ist in der Regel ein zu­ sätzliches Netzteil notwendig. Eine Versorgung durch die Batterie ist nur möglich, wenn die Steuerelektronik bei getrennter Batterie keine Funktionen zu erfüllen hat. Dies führt dann bei Einbauladegeräten zu einer ständigen Be­ lastung der Batterie.

Es ist ferner eine geregelte Stromversorgung zur Ladung von Batterien bekanntgeworden, bei der ein Transformator, ein Gleichrichter und ein Siebkondensator die erforder­ liche Gleichspannung erzeugen. Für einen Leistungstransi­ stor als Stellglied wird über einen Regelverstärker bei gleichzeitiger Ladestrom-/Ladespannungsmessung die Lei­ stungsabgabe entsprechend einer IU-Kennlinie geregelt. Mit Hilfe einer derartigen Ladungsschaltung läßt sich zufrie­ denstellend eine Nachladung durchführen. Die bekannte Schaltungsanordnung hat jedoch ebenfalls Nachteile.

Der Leistungstransistor muß den Ladestrom über den gesam­ ten Ladevorgang führen, es treten daher sehr hohe Verluste auf, welche einen entsprechenden Kühlaufwand notwendig machen. Die Halbleiterschalter für die auftretenden Lade­ ströme und auch die Glättungsmittel, die erforderlich sind, sind relativ aufwendig. Es ist daher auch bereits bekannt­ geworden, für die Hauptladung und die Nachladung zwei se­ parate unabhängige Ladeschaltungen in einem Ladegerät zu vereinigen. Auf diese Weise lassen sich viele Funktions­ nachteile umgehen, der Aufwand für die Herstellung eines derartigen Ladegeräts ist jedoch relativ hoch.

In diesem Zusammenhang ist aus der DE-OS 23 21 361 bekanntgeworden, einem herkömmlichen Ladegleichrichter in Form einer Brückenschaltung eine Regelstufe in Form eines Leistungs­ transistors nachzuschalten. Während der Hauptladezeit wird der Transistor von einem Schütz überbrückt, der erst nach Absinken des Ladestroms auf einen kleineren Wert geöffnet wird. Auch dadurch werden einige oben angeführte Nachteile behoben, wobei jedoch andere Nachteile eingehandelt wer­ den. Der Schütz für die Überbrückung des Transistors und die dazugehörigen Leitungen müssen für den vollen Lade­ strom ausgelegt werden. Für den Ladestrom steht kein Sieb­ element zur Verfügung, wie es jedoch in der Nachladephase geboten ist. Würde es in der bekannten Schaltung ergänzt, müßte es für den vollen Ladestrom dimensioniert werden oder alternativ ein zusätzlicher Schaltungsaufwand betrie­ ben werden.

Aus der GB-PS 1 500 444 ist eine aus Thyristoren und Dioden bestehende Schaltungsanordnung bekanntgeworden, über die die Sekundärwicklung eines Ladetransformators auf z. B. eine Batterie geschaltet werden kann. Die beschriebene Schaltungsanordnung schaltet eine Transformatorwicklung zu einem gewünschten Zeitpunkt innerhalb einer 50 Hz-Welle um, wobei mit der Wahl des Schaltzeitpunktes der Ladestrom zwischen einem maximalen oder einem minimalen Wert gere­ gelt werden kann. Ein nachgeschalteter Transistorlängsreg­ ler dient zur Reduzierung der Restwelligkeit. Er führt da­ her immer den vollen Ladestrom und muß daher für diesen dimensioniert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungs­ anordnung für ein Batterieladegerät zu schaffen, welches für alle Betriebsarten bei einer Batterieladung verwendbar ist, die Funktionsnachteile der eingangs beschriebenen bekannten Schaltungsanordnungen vermeidet und eine Her­ stellung des Ladegerätes mit einem minimalen Aufwand er­ möglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Halbleitergleichrichterbrücke weist zwei eine Halb­ brücke bildende von der Steuerelektronik gesteuerte schalt­ bare Gleichrichterelemente auf, die ausgangsseitig mit einer Batterieklemme verbunden sind, und der Halbleiter­ schalter ist an eine zur Halbleitergleichrichterbrücke parallelgeschaltete nur wechselspannungsseitig mit dieser verbundene Halbleitergleichrichterhalbbrücke angeschlossen, wobei der Gleichrichterhalbbrücke eine Glättungsschaltung zugeordnet ist. Letztere kann aus einer Drossel oder einem Kondensator bestehen.

Der Transformator und die steuerbare Gleichrichterschal­ tung bilden zusammen mit dem Glättungsmittel, dem Halblei­ terschalter, einem Regelverstärker und einer Meßeinrich­ tung für die Ladespannung und/oder -strom eine geregelte Stromversorgung. Zum einen kann eine Ladung über die Gleichrichterschaltung erfolgen. In diesem Betriebszustand kann die Hauptladung erfolgen, eine leistungsbegrenzte Hauptladung und eine Nachladung für Naßbatterien nach der W-Kennlinie. Die leistungsbegrenzte Hauptladung kann da­ durch stattfinden, daß Halbwellen ausgetastet werden oder eine Phasenanschnittssteuerung vorgenommen wird. Zu diesem Zweck sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, daß eine Null-Durchgangsschaltung vorgesehen ist, die den Null­ durchgang von Strom und/oder Spannung an der gesteuerten Halbbrücke feststellt und entsprechende Signale auf die Steuerelektronik gibt.

Für die andere Betriebsart werden die Halbleiter der steuerbaren Halbbrücke gesperrt und es erfolgt eine ent­ sprechende Ansteuerung des Halbleiterschalters, um zum Beispiel eine Schonladung für tiefentladende Batterien und eine Nachladung für wartungsfreie Batterien sowie eine Konservierungsladung nach der IU-Kennlinie vorzunehmen. Wesentlich ist, daß die Halbbrücke, über die der Halblei­ terschalter versorgt wird, für sehr viel kleinere Leistung ausgelegt zu werden braucht, da während dieser Betriebs­ arten weitaus geringere Ströme fließen als während der Hauptladung. Fließen zum Beispiel während der Hauptladung Ströme von 20 bis 25 A, fließen zum Beispiel in der Nach­ ladephase Ströme von höchsten 3 A. Der Aufwand für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist daher relativ gering.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß die Stromversorgung der Steuerelektronik über die Halbbrücke erfolgt. Die von der Steuerelektronik be­ nötigte Hilfsenergie wird über den Ladetransformator aus dem Netz entnommen. Die Batterie wird nicht belastet. Ein zusätzliches Netzteil ist nicht notwendig.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung werden die Versorgungsenergie für die Ladegleichrichter, für die Gerätestromversorgung und für die Steuerelektronik aus der gleichen Transformatorwicklung gewonnen. Es ist daher nur eine Sekundärwicklung nötig, womit sich auch ein minimaler Verdrahtungsaufwand von nur zwei Leitungen für die Sekun­ därseite des Transformators ergibt (es sei denn, es wird eine Mittelpunkts-Zweiweggleichrichterschaltung verwendet). Auch bei abgeschaltetem Ladegleichrichter sind der Trans­ formator und die Halbbrücke nicht stromlos. Sie können daher zur Versorgung der Steuerelektronik und zur Strom­ versorgung für den Ladebetrieb dienen. Die Halbbrücken stellen jederzeit eine batterieunabhängige Versorgungs­ energie für die Steuerelektronik zur Verfügung, auch wenn der Ladegleichrichter und die geregelte Stromversorgung abgeschaltet sind.

Wie bereits erwähnt, können das Glättungsmittel und der Halbleiterschalter relativ klein ausgelegt werden, was den Schaltungsaufwand herabsetzt.

Die zur Strom- und Spannungsmessung vorgesehene Meßein­ richtung ist sowohl für die geregelte Stromversorgung als auch über die Steuerelektronik zur Ladungskontrolle und zur Transformatorüberwachung nutzbar. Zur Abschaltung des Ladeprogramms werden ausschließlich Leistungshalbleiter verwendet, welche bereits im Ladebetrieb benutzt werden. Die gesamte Ladeschaltung benötigt daher typischerweise lediglich maximal fünf Leistungshalbleiter. Zusätzliche Leistungsschalter oder Schütze entfallen. Durch die Mög­ lichkeit der Ladestromüberwachung und der Reduzierung der vom Transformator übertragenen Leistung durch die Steuer­ elektronik sind zum Schutz des Transformators weder eine Überdimensionierung des Transformators noch Überlastschutz­ elemente notwendig. Ein einfacher Schutz der Batterie ist bei Durchlegierung eines Leistungshalbleiters möglich. Als Kurzschlußschutz ausgelegte Sicherungen an der Primärwick­ lung vom Transformator, am Ladeausgang und in Reihe mit dem Halbleiterschalter führen im Fehlerfall zur Unterbre­ chung des Energieflusses.

Da das Steuersignal der steuerbaren Halbbrücke und des Halbleiterschalters sowie die Rückmeldung der Meßeinrich­ tung das gleiche Bezugspotential aufweisen können, sind bei Verwendung eines Mikrocontrollers mit ADU nur wenige diskrete Bauteile notwendig.

Die gesamte Steuerelektronik ist galvanisch vom Netz ge­ trennt. Beim mechanischen Aufbau sind daher keine erhöhten Sicherheitsanforderungen zu berücksichtigen. Mit Ausnahme des Transformators können bei Ladeströmen bis etwa 25 A alle Bauelemente fertigungsgünstig auf einer Flachbau­ gruppe montiert werden.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung sind alle Leistungs­ halbleiterelemente an einem gemeinsamen auf einer Leiter­ platte angeordneten Kühlkörper angebracht. Dadurch erfolgt eine Mehrfachausnutzung des Kühlkörpers. Während in der Hauptladung der Kühlkörper lediglich die relativ hohen Durchlaßverluste an den Halbbrücken abführen muß, steht er bei der Nachladung im wesentlichen für die Wärmeabfuhr am Halbleiterschalter zur Verfügung, da an den Halbbrücken nur geringe Verluste auftreten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung nach der Erfindung.

Fig. 2a bis c zeigen Einzelheiten der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 für unterschiedliche Betriebsarten.

Fig. 3 zeigt perspektivisch eine Leiterplatte für eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung.

An der Sekundärwicklung eines Ladetransformators 10 liegen drei Halbleiterelemente aufweisende Halbbrücken 12, 14, 16 parallel, wobei die Halbbrücken 12, 14 an die Klemmen einer Bleibatterie 18 anschließbar sind, ggf. über Siche­ rungen und/oder einen Strommeß-Shunt. Die Halbbrücken 12, 16 weisen Halbleiterdioden 20, 22 auf, während die Halb­ brücke 14 Thyristoren 24 aufweist. Eine aus einem Glät­ tungskondensator und einem Leistungstransistor bestehende Schaltungsanordnung 26 wird über die Halbbrücke 16 mit Gleichspannung versorgt. Sie liegt ebenfalls an den Klem­ men der Bleibatterie 18, ggf. über Sicherungen und/oder einen Strommeß-Shunt. Eine Meßeinrichtung 28 mißt den La­ destrom bzw. die -spannung und ihre Meßwerte gehen über eine Leitung 30a auf eine Steuerelektronik 32 sowie auf einen Regelverstärker 34, der seinen Sollwert über die Leitung 36 von der Steuerelektronik 32 erhält. Das Stell­ signal des Reglers 34 gelangt über eine Leitung 38 auf die Steuerelektrode des Leistungstransistors der Schaltung 26.

Ein Nulldurchgangsdetektor 30 ist an die Steuerelektronik 32 angeschlossen über eine Leitung 40 und die Steuerelek­ troden der Thyristoren 24 werden über die Leitung 42 von der Steuerelektronik 32 angesteuert.

Aus den Fig. 2a bis 2c lassen sich die Energieflüsse für die verschiedenen Betriebsarten entnehmen. Die strom­ führenden Leitungen sind dicker gezeichnet.

Der Transformator 10 bildet zusammen mit der Halbbrücke 12 und der steuerbaren Halbbrücke 14 einen Ladegleichrichter mit W-Kennlinie für den Hauptladestrom. Die Steuerelek­ tronik 32 kann über die steuerbare Halbbrücke 14 den Lade­ gleichrichter abschalten. Der Nulldurchgangsdetektor 30 meldet den Nulldurchgang von Spannung und/oder Strom am Gleichrichter an die Steuerelektronik 32. Diese kann somit den Ladegleichrichter zur Minimierung von Funkstörungen im Versorgungsnetz (Einsparung von Entstöraufwand) jeweils nur im Nulldurchgang einschalten oder über Austastung ein­ zelner Halbwellen bzw. mittels Phasenanschnittsteuerung die vom Transformator 10 zu übertragende Leistung begren­ zen (Überwärmungsschutz im Überlastfall). Diese Betriebs­ art ist in Fig. 2a dargestellt.

Der Transformator 10 und die Halbbrücken 12 und 16 bilden zusammen mit dem Glättungskondensator 44 und dem Leistungs­ transistor 46 der Schaltung 26 sowie dem Regelverstärker 34 und der Meßeinrichtung 28 die geregelte Stromversorgung für die Batterie 18. Die Steuerelektronik 32 gibt den Sollwert vor und schaltet über den Sollwert Null die Stromversorgung ab. Mit diesem Schaltungsteil ist eine Schonladung für tiefentladende Batterien sowie die Nach- und Konservierungsladung auch für wartungsfreie Batterien möglich. Dieser Betriebszustand ist in Fig. 2b dargestellt.

Über den Transformator 10 und die Halbbrücken 12 und 16 wird die Versorgungsenergie für die Steuerelektronik 32 bereitgestellt, und zwar auch außerhalb des Ladebetriebs (Fig. 2c). In Fig. 3 ist eine Leiterplatte 48 dargestellt, auf der die in den Schaltungsanordnungen nach den Fig. 1 und 2 dargestellten Elemente in bekannter Weise angebracht und verschaltet sind. Hierauf wird im einzelnen nicht einge­ gangen. Man erkennt außerdem einen Kühlkörper 50 auf der Platte 48. Seitlich am Kühlkörper sind fünf Leistungshalb­ leiter 52 angebracht. Sie entsprechen den Leistungsdioden 20, den Thyristoren 24 sowie dem Leistungstransistor 46. Da nicht alle Leistungshalbleiter gleichzeitig hohe Ver­ lustwärme erzeugen, kann der Kühlkörper 50 für sämtliche Leistungshalbleiter verwendet werden. Der als Linearregler betriebene Transistor erzeugt auch bei kleinen Strömen eine höhere Verlustwärme. Er wird aber nur betrieben, wenn die übrigen vier Leistungshalbleiter nur geringen Strom führen und damit nur geringe Verlustwärme erzeugen.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung für ein Batterieladegerät, in der die Ladespannung wahlweise über eine Halbleitergleich­ richterbrücke allein oder einen steuerbaren Halbleiter­ schalter an die Batterieklemmen gelegt wird und eine Steuerelektronik aus einer Meßschaltung die Werte für Ladespannung und -strom erhält und den Halbleiterschal­ ter entsprechend steuert oder regelt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Halbleitergleichrichterbrücke zwei eine Halbbrücke (14) bildende von der Steuerelektronik (32) gesteuerte schaltbare Gleichrichterelemente (24) aufweist, die ausgangsseitig mit einer Batterieklemme verbunden sind, und der Halbleiterschalter (46) an eine zur Halbleitergleichrichterbrücke parallelgeschaltete nur wechselspannungsseitig mit dieser verbundene Halb­ leitergleichrichterhalbbrücke (16) angeschlossen ist, der eine Glättungsschaltung (44) zugeordnet ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stromversorgung der Steuerelektronik (32) über die Halbleitergleichrichterhalbbrücke (16) erfolgt.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Gleichrichterelemente (22) der Halbleitergleichrichterhalbbrücke (16) für eine deutlich geringere Leistung ausgelegt sind als die anderen Gleichrichterelemente (20, 24).

4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle Leistungs-Halbleiter­ elemente (52) an einem gemeinsamen auf einer Leiter­ platte (48) angeordneten Kühlkörper (50) angebracht sind.

5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Null-Durchgangsschal­ tung (30) vorgesehen ist, die den Nulldurchgang vom Strom und/oder Spannung an der gesteuerten Halbbrücke (14) feststellt und entsprechende Signale auf die Steuerelektronik (32) gibt.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die steuerbare Halbbrücke (14) mit einer Nullpunktsteuerung betrieben wird.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die steuerbare Halbbrücke (14) über eine Phasenanschnittsteuerung oder durch Austastung einzel­ ner Halbwellen gesteuert wird.