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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufladen von Bleibatterien
gemäß dem nachfolgenden
Anspruch 1.
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Das
Aufladen von Batterien ist aus dem Stand der Technik gut bekannt.
EP-A 0 584 362 wurde
am 27. Juli 1992 angemeldet und am 2. März 1994 veröffentlicht. Sie offenbart zum
Beispiel ein herkömmliches
Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufladen eines Bleiakkumulators.
Während
einer schnellen Ladephase b des Ladevorganges wird Strom intermittierend
zu einer Batterie in einer Serie alternierender Ladeperioden T
1 und Ladeunterbrechungsperioden T
2 zugeführt.
Bei einem Beispiel beträgt
T
1, 10 Sekunden und T
2 berägt 2 Sekunden.
EP A2 0 121 325 offenbart
ein Batterieladegerät,
das eine Stromquelle zum Zuführen
von Impulsen zu einer aufzuladenden Batterie umfasst. Die
US 3,487,284 offenbart ein
herkömmliches
Verfahren, das die Verfahrensschritte des Verbindens und Trennens
einer Ladequelle und einer Bleisäurebatterie
unter Intervallen umfasst, die durch den Zustand der Batterie ermittelt
werden, wie er durch das Verhalten der Batteriespannung von 0 als
Funktion der Zeit gemessen wird. Während einer Impulsladephase
weist jeder zugeführte
Impuls im Wesentlichen den gleichen Stromwert auf wie eine anfängliche
hohe Aufladung, so dass Gasblasen, die an sich die Neigung haben,
hierbei zu entstehen, von der Oberfläche der Platten verdrängt werden
und wodurch Polarisation verhindert wird. In einer Ausführungsform
wird die Impulsladequelle in Abhängigkeit
von zwei voreingestellten Potentialen gesteuert. Eines davon entspricht
einem Wert unterhalb des Blasenbildungspunktes der Batterie und
das zweite Potential entspricht einem Punkt oberhalb des Blasenbildungspotentials. Wenn
das untere Potential erreicht ist, wird die Impulsquelle eingeschaltet,
und wenn der obere Wert erreicht ist, wird die Impulsquelle abgeschaltet.
EP A2 0 314 155 offenbart
ein herkömmliches
System zum sequentiellen Aufladen einer Vielzahl von Batterien.
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Das
US-Patent 3,963,976 gibt
das Aufladen von Batterien mit einer Impulsstrom-Ladeeinrichtung zum Erzeugen von Gasblasen,
um das Mischrühren
der Säure,
die zuvor durch mechanisches Rühren
erhalten ist, zu erreichen.
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Die
aktive Substanz einer aufgeladenen Bleibatterie findet sich in den
positiven Elektroden von Bleisuperoxid PbO2 und
in den porösen
bleimetallartigen negativen Elektroden. Wenn die Batterie entladen
wird, werden diese aktiven Substanzen in Bleisulfat PbSO4 umgewandelt, wobei die Sulfationen von
dem Elektrolyt entnommen werden, der Schwefelsäure ist. Beim Aufladen der
Batterie ist der Prozess im Prinzip umgekehrt. Jedoch sind die Umstände kompliziert
und noch nicht vollständig
verstanden. Es ist jedoch bekannt, dass es unter anderem nicht möglich ist,
das ganze Bleisuperoxid und das ganze metallische Blei komplett
umzuwandeln, wenn die Batterie entladen ist, da die Änderungen
im Volumen der Elektroden dazu führen
würden,
dass die Elektroden platzen. Die maximale Stromansammlung ist deshalb
durch die Menge der Schwefelsäure
festgelegt, die zum Beispiel zwischen den spezifischen Gewichten
von ungefähr
1,28 und 1,18 verbraucht wird. Eine besondere Komplikation besteht
darin, dass das Entladungsprodukt beider Elektrodenarten extrem schwer
aufzulösen
ist. Die Lösbarkeit
von PbSO4 in Wasser ist jeweils mit 10–5 mol/l
und 40 mg/l angegeben und ist sogar noch weniger lösbar in
Schwefelsäure
und demzufolge enthält
das Elektrolyt eine besonders niedrige Menge an Pb+ +. Die Beschränkung von Bleibatterien beim
Aufladen und beim Entladen wurde somit in der Diffusion der bivalenten
Bleiionen gesehen. Außerdem
ist Bleisulfat ein sehr schlechter Elektrizitätsleiter. Diese Umstände führen oft
zu Problemen beim Aufladen von Bleibatterien, die unter anderem
der Gefahr unterliegen, durch inaktive Bleisulfatschichten zerstört zu werden,
die entweder die Batterie davon abhalten aufgeladen zu werden oder
die dessen Ladekapazität
reduzieren und nach und nach die Batterie unbrauchbar machen. Die
genannten Probleme verschiedener Dichten vor und nach dem Laden
der Batterie mit nachfolgenden Größenänderungen sind zusätzliche
Probleme, die das Ablagern von Schmutz verstärken und die Batterie mechanisch
schwächen.
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Eine
allgemeine und tief verwurzelte Meinung besteht basierend auf Erfahrungen
darin, dass Bleibatterien in bevorzugter Weise relativ langsam aufgeladen
werden sollen, zum Beispiel sollte eine 75 Ah Autobatterie von einem
niedrigen Zustand auf einen komplett aufgeladenen Zustand über eine
Zeitdauer von 10 Stunden aufgeladen werden. Eine so genannte normale
Schnellaufladung führt
zu höheren
Temperaturen und reduziert die nutzbare Lebenszeit der Batterie.
Diese Auffassung ist relativ zutreffend, wenn die Batterie in herkömmlicher
Weise aufgeladen wird.
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Jedoch
wurde überraschend
herausgefunden, dass die Bleibatterien mit hohen elektrischen Strömen aufgeladen
werden können
und dies mit sehr guten Ergebnissen ohne einen beträchtlichen
Anstieg in der Temperatur, wenn die Batterie über kurze Zeitdauern aufgeladen
wird, die durch Zeitintervalle unterbrochen werden, während derer
keine Aufladung durchgeführt
wird.
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Diese
Aufgaben der Erfindung werden durch ein Verfahren und eine Vorrichtung
gemäß den Ansprüchen 1 gelöst.
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Demgemäß wird ein
Gleichstrom, normalerweise eine Halbwellengleichrichter-Wechselspannung,
von einer herkömmlichen
Ladeeinheit in den Strom intermittierend zuführenden Zeitdauern angelegt,
wobei diese Zeitdauern durch weitere Zeitdauern unterbrochen sind,
in denen kein Strom fließt,
wobei die Zeitdauern eine Länge
von zwischen 0,5 und 10 Sekunden aufweisen, in bevorzugter Weise
zwischen 0,5 und 1,5 Sekunden. Wenn eine Batterie aufgeladen wird,
haben die Stromzufuhrintervalle und die Pausenintervalle in geeigneter Weise
ungefähr
die gleiche Dauer. Auf der anderen Seite sind bei einer Wartungsaufladung
die Stromzufuhrperioden in bevorzugter Weise sehr kurz und haben
gemäß einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
eine Dauer von ungefähr
einer halben oder einer ganzen Zeitdauer bzw. Periode der Stromleitungsspannung.
Es kann jedoch zweckmäßiger im
Falle einiger Batterieladeeinheiten sein, dass diese Zeitperioden
nicht kürzer
als Zehntelsekunden dauern. Im Falle einer Wartungsladung besteht
die Hauptsache darin, dass die Batterie über eine relativ kurze Ladeperiode
zwischen relativ langen Zeitintervallen aufgeladen wird, während derer
ein Stromimpuls solcher Größe angelegt
wird, dass jegliche Beeinträchtigung
der Batterie eingedämmt
wird. Wenn ein Triac verwendet wird, wird der Triac in geeigneter
Weise nach einem Nulldurchgang angeschaltet und nach dem nächsten Nulldurchgang
ausgeschaltet, wodurch Strom während
zumindest der halben Zeitdauer im Falle einer Einweggleichrichtereinheit
zugeführt
wird. In diesem Falle dauern die Pausenperioden viel länger, zum Beispiel
10 Sekunden oder noch länger.
Der Strom sollte zumindest 4 A erreichen, in bevorzugter Weise mindestens
6 A, während
der Stromaufladungsperioden. Wenn die Batterie während der Wintermonate gelagert wird,
sollte darauf geachtet werden, dass die Batterie von Zeit zu Zeit
mit Wasser gefüllt
werden muss.
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Es
wird angenommen, dass der Effekt mit der Entwicklung zusammenhängt, die
entsteht wenn das Laden jeweils der Sauerstoffgase am Pluspol und
der Wasserstoffgase an dem negativen Pol, die die Eigenschaften
aufweisen, die mit dem Ausdruck "in
statu nascendi" verknüpft sind,
zu einer besonderen Aktivität führt, die
es dem Bleisulfat ermöglicht,
leichter in Blei und Bleisuperoxid umgewandelt zu werden. Dies betrifft wahrscheinlich
Oberflächeneffekte
einer mehr oder weniger mikroskopischen Art, die sehr schwer experimentell
zu beobachten sind, und auch solche Effekte des festen Zustandes,
der Kristallstruktur, usw., sowie einer vorübergehenden Art, über die
man nur spekulieren kann unter den gegenwärtigen wissenschaftlichen Standpunkten.
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Das
Konzept des Aufladens von Bleibatterien mit pulsierendem Strom ist
an sich nicht neu. Zum Beispiel sind so genannte "Pulstronic" Geräte kommerziell
erhältlich,
die jeweils eine pulsierende Ladung bei 20 kHz und bei 90 kHz liefern
und mit denen eine leere Autobatterie vollständig in ungefähr 5 Stunden
aufgeladen werden kann. So ein Gerät ist jedoch relativ teuer
und es ist damit auch nicht möglich,
eine Sulfatierung zu lösen,
wie es durch die beschriebene Gasbildung ermöglicht wird.
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Das
schnelle Aufladen einer Speicherbatterie, wie es möglich gemacht
worden ist, mit im Wesentlichen kaum wahrnehmbarer Erwärmung der
Batterie, wird jedoch nicht mit der bekannten Technik erreicht.
Es wird somit angenommen, dass man damit erfolgreich war, eine "chemische Zeitkonstante" zu nutzen, die ein Verhältnis mit
dem Verlauf von Vorgängen
aufweist, die beim Aufladen einer Speicherbatterie vorkommen. Es ist
bekannt, dass Zeitkonstanten beim Entladen von Bleiakkumulatoren
auftreten: Wenn eine vollständig
aufgeladene Batterie beginnt, sich zu entladen, fällt die
Spannung von ungefähr
2,2 V pro Zelle auf ungefähr
1,83 V über
die ersten 10 Sekunden ab und steigt dann exponentiell um beinahe
0,1 V mit einer Zeitkonstanten von ungefähr 10 Sekunden wieder an. Im
Allgemeinen wird angenommen, dass dies aufgrund von Übersättigung von
Bleisulfat bei Abwesenheit von Kondensation auftritt, die in der
Form von Bleisulfatkristallen verursacht wird.
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Im
Falle einer Vorrichtung zum Aufladen von Bleiakkumulatoren gemäß diesen
Prinzipien wird vorzugsweise das Ablaufen der Kommutation dadurch
ermöglicht,
dass ein automatischer Schalter betätigt wird und der Strom in
der Primärwindung
des Transformators geschlossen wird, dessen transformierter Strom gleichgerichtet
ist. Es wurde herausgefunden, dass hierdurch ein anfänglicher
Stromimpuls mit guter Wirkung erhalten wird.
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Die
vorliegende Erfindung kann in besonders in geeigneter Weise dazu
verwendet werden, Speicherbatterien generalzuüberholen, die über eine
lange Zeitdauer benutzt wurden und deren Effektivität aufgrund von
Sulfatierung verloren hat. In solchen Fällen weisen die Zellen unterschiedliche
Zustände
auf und dem folgenden Verfahren gemäß der Erfindung sollte gefolgt
werden, um die Zellen "aufzufrischen". Die Batterie wird aufgeladen,
bis der Säuregehalt
der "besten" Zellen einen normalen
Wert erreicht. Die Batterie wird dann durch einen passend ausgesuchten
Widerstand entladen und dann wieder aufgeladen. Die "schlechten" Zellen werden bei
Durchführen
dieser Prozedur jedes mal verbessert und bezüglich des Nutzens ist die Batterie
nach drei bis fünf
Aufladezyklen oft so gut wie neue Batterien. Es hat sich herausgestellt,
dass dieses Generalüberholungsverfahren
gute Ergebnisse liefert, sogar in den Fällen von sehr großen Speicherbatterien,
zum Beispiel bei Batterien für
elektrische Lastwägen,
bei denen ansonsten ernsthafte Probleme existieren und die Batteriekosten
sehr hoch sind. Die Erfindung ermöglicht folglich, dass beträchtliche
Kosteneinsparungen erzielt werden.
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Das
Aufladen wird nachfolgend genauer beschrieben unter Bezugnahme auf
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
und die beigefügten
Zeichnungen, wobei 1 schematisch ein Gerät darstellt,
durch das das Verfahren durchgeführt
werden kann; und 2 ein Schaltdiagramm für ein pulsierendes
Gerät zeigt,
das an die Eingangsseite einer herkömmlichen Aufladeeinheit angeschlossen
werden kann.
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1 zeigt
das Geräteprinzip
zum Aufladen eines Bleiakkumulators. Ein Transformator 1, 2 ist
mit Stromnetzspannung auf der Primärseite 1 versorgt
und der Strom von der Sekundärseite 2 wird
gleichgerichtet, in dem einfachsten Fall durch eine einzelne Diode.
Der gleichgerichtete Strom wird an eine Speicherbatterie 6 geliefert.
Normalerweise wird dort ein Strommessgerät vorgesehen, das ein herkömmliches
(nicht dargestelltes) Weich- bzw.
Dreheisengerät
sein kann. Im dargestellten Fall wird die periodische Zufuhr von
Strom zu der Batterie 6 mit Hilfe eines Schalters 4 durchgeführt, der
die Primärspannung
ein- und ausschaltet und der als das einfachste Mittel zur Erzielung
einer periodischen Zufuhr angesehen wird. Dies kann mit einem einfachen
Relais durchgeführt
werden, das geeignete Antriebsstromkreise aufweist, obwohl es bevorzugt
ist, eine Art Thyristorschalter zu verwenden, da hierbei nicht die
Notwendigkeit besteht, sich um das Abnutzen von Kontakten zu kümmern.
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2 zeigt
ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Schalters 4. Eine 12-Volt-Stromquelle, die vom Stromleitungsnetz
gefüttert
wird, ist nicht dargestellt.
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Die
Schaltfunktion wird durch die steuerbare Schalterkomponente 20 durchgeführt, die
in dem Falle des dargestellten Ausführungsbeispiels ein Triac BT139-800E
ist. Andere Komponenten sind kommerziell erhältlich als Standardkomponenten
unter den in 2 angegebenen Größen. Eine
Counter-Komponente 4060 ist derart eingestellt, dass sie regelmäßig Impulse
zu der monostabilen Komponente liefert, mit einem Schalten zwischen
einem positiven und einem negativen Zustand in Perioden von 2 Sekunden.
Diese Impulse werden zu dem monostabilen Gerät 555 geleitet, das hierdurch
einmal jede zweite Sekunde über
C2 getriggert wird. Die Dauer des getriggerten Zustands kann mit
dem Potentiometer P1 variiert werden. Das Ausgangssignal des Stromkreises
555 führt
den Strom durch einen Transistor, der eine Licht emittierende Diode
in dem Optoschalter MOC3040 versorgt, der dazu angepasst ist, hierin
einen Triac nach dem Nulldurchgang der Hauptspannung zu triggern,
so dass der Triac 20 getriggert wird, der so lange getriggert
bleibt, wie der Zeitschaltkreis 555 Ausgangssignale produziert.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel,
das eine Abänderung
des Ausführungsbeispiels
gemäß 2 ist,
wird das Potentiometer P1 ersetzt durch zwei schaltbare Widerstände mit
jeweils einem Widerstand von 10 kOhm für eine Aufladungszeit von 0,5
Sekunden und einem Widerstand von 25 kOhm für eine Aufladungszeit von 1
Sekunde. Der Schaltvorgang wird in geeigneter Weise zur gleichen
Zeit durchgeführt
wie der Ausgang bei 4060 vom Pin 1 (Q12)
zum Pin 3 (QS4) geschaltet wird, wodurch
das Zeitintervall viermal länger gemacht
wird.
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Durch
gleichzeitiges Schalten der Widerstände und des Ausgangskontaktes
ist es möglich,
von einem Zustand, bei dem die Batterie über einen Zeitraum von 1 Sekunde
aufgeladen wird mit einem Pausenzeitraum von einer Sekunde, in einen
Batterieladungs-Wartungszustand
zu schalten, bei dem die Batterien 0,5 Sekunden lang aufgeladen
werden mit Pausen von 7,5 Sekunden. Dies sind natürlich nur
Beispiele von denkbaren Zeiten und Schaltprozeduren, wobei die Zeitdauern
auf jeden beliebigen Wert eingestellt werden können, insbesondere wenn der
Kondensator, der mit Pin 9 bei 4060 verbunden ist, vergrößert wird,
um das gesamte Teilungs-Intervall des Stromkreises zu nutzen, wobei
der Stromkreis Ausgänge
zum Aufteilen auf 14 Zweier-Ströme
besitzt.
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Das
Laden wird nun unter Bezugnahme auf eine Vielzahl von Arbeitsbeispielen
basierend auf Erfahrungen, die beim Aufladen von Bleiakkumulatoren
erhalten wurden, beschrieben.
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BEISPIEL I
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Eine
Autospeicherbatterie (Säuredichte
1,18) von 75 Ah wurde mit Ein- und Ausschaltzeiten von 1 Sekunde
und mit einem Ladestrom von 90 A (der Effektivwert wurde mit einem
Weich- bzw. Dreheiseninstrument gemessen) aufgeladen. Die Batterie
erwärmte
sich hierbei nicht merklich. Gas wurde von Beginn an erzeugt. Nach
25 Minuten war die Batterie vollkommen aufgeladen mit einer Säuredichte
von 1,28. Die Säuredichten wurden
mit einem Brechungsindexmessgerät
gemessen.
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Die
Batterie wurde dann mit einem Strom von ungefähr 8 A entladen, wobei der
Strom kontinuierlich gemessen und integriert wurde, wobei ein Wert
von 68 Ah erhalten wurde bis zum gleichen anfänglichen Entladungszustand.
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Wenn
die gleiche Batterie mit einer kontinuierlichen Aufladung aufgeladen
wird, ist es nicht möglich, mehr
als 7 A zuzuführen,
ohne dass die Batterie sehr heiß wird.
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BEISPIEL II
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Eine
in etwa ähnlich
leere oder entladene Batterie, dieses Mal 60 Ah, wurde aufgeladen
mit Ladeperioden und Pausen von 1 Sekunde Dauer und einem Ladestrom
von 12 A, der schließlich
auf 10 A abfiel. Die Batterie war nach 2 Stunden vollständig aufgeladen.
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BEISPIEL III
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Mehrere
Autobatterien, 60 bis 75 Ah, die 6 bis 12 Monate lang ohne Wartungsladung
und somit in großem
Maße verschwefelt
waren, wurden testweise gemäß BEISPIEL
II aufgeladen. 80% der Batterien haben ein Aufladen akzeptiert und
erschienen vollständig
normal. Unter den erfolglosen Batterien waren einige ernsthaft durch
Schwingungen der Dieselmotoren beschädigt.
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BEISPIEL IV
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Vier
so genannte closed-flat oder entladene Autobatterien wurden testweise
gemäß BEISPIEL
II aufgeladen. Alle Batterien haben das Aufladen mitgemacht – mit Ausnahme
einer Batterie – und
blieben hierbei kalt. Eine der Batterien wurde heiß. Eine
nähere
Inspektion dieser Batterie zeigte, dass eine ihrer Zellen einen Kurzschluss
aufwies.
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BEISPIEL V
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Ein
Test wurde bei 1000 Batterien über
einen langen Zeitraum durchgeführt;
diese Batterien waren zwischen 5 und 15 Jahre alt und wiesen Kapazitäten zwischen
55 und 700 Ah auf. Vor der Regenerierung war die Verteilung wie
folgt:
| Anzahl | Säuredichte | Kapazität |
| 671 | 1,40–1,10 | 0–18% |
| 303 | 1,11–1,18 | 19–33% |
| 19 | 1,19–1,24 | 34–42% |
| 7 | 1,25–1,26 | 43–57% |
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Die
folgenden Ergebnisse wurden beim Testen mit herkömmlichen Batterieaufladeverfahren
erzielt:
| Anzahl | Säuredichte | Kapazität |
| 26 | 1,27–1,28 | 100% |
| 974 | unverändert | unverändert |
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Die
folgenden Ergebnisse wurden beim Regenerieren in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung erziel:
| Anzahl | Säuredichte | Kapazität |
| 786 | 1,28–1,30 | 100% |
| 188 | 1,00–1,02 | 0%
(mechanischer Fehler) |
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Die
Erfahrung hat gezeigt, dass das Problem der Sulfatierung vollständig beseitigt
wurde, wenn die Erfindung verwendet wurde.
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In
früheren
Experimenten mit der Erfindung wurde ein herkömmliches Batterieladegerät (Halbwellengleichrichtung)
in Kombination mit einem Relais zum Schalten und Schließen des
Primärstroms
verwendet. Obwohl dieses Batterieladegerät gut für eine lange Zeit arbeitete,
brannten die elektrischen Kontakte graduell aus. Deshalb wird es
bevorzugt, einen Triac mit angeschlossenen Steuerstromkreisen als
Schalt- und Schließelemente
in Serie mit der Primärwindung
des Batterieladegerätes
zu verwenden. In dieser Beziehung ist die Kommutation in geeigneter
Weise nulldurchgangsgesteuert.
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Es
liegt in der Natur der Sache, dass in bevorzugter Weise Stromquellen
verwendet werden, die größere Ladeströme aufweisen,
als es bisher üblich
war. Tatsächlich
wird ein gewisser vergrößerter Stromimpuls erhalten,
wenn man an der Primärseite
schaltet, obwohl der volle Effekt der Aufladung so lange nicht erhalten wird,
bis der maximale Strom auf viel höhere Werte als solche vergrößert wird,
die bisher normal waren.
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Die
durchgeführten
Experimente waren insbesondere auf Autobatterien gerichtet, die
in verschiedenen Ladezuständen
leicht erhältlich
waren. Jedoch gibt es Systeme, die permanent feste Batterien aufweisen, zum
Beispiel Batterien, die Telefonnetzwerke, Notfallsysteme, usw.,
versorgen, bei denen Sulfatierungsprobleme und ähnliche Probleme, insbesondere
Wartungsprobleme, schwer zu lösen
sind. Die Erfindung ermöglicht es
auch, Einsparungen in dieser Beziehung durch verbesserte Wartung
und durch verbesserte Sicherheit bezüglich derjenigen Systeme, die
primär
als Back-up-Systeme
verwendet werden, zu erzielen.