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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Batterieladevorrichtung zum Laden einer wiederaufladbaren
Batterie mit:
- – Mitteln zur Umwandlung einer
Eingangsspannung in einen Ladestrom zum Laden der Batterie;
- – einem
ersten Sensor zur Erzeugung eines ersten Signals, welches für die Umgebungstemperatur
der Batterie kennzeichnend ist;
- – einem
zweiten Sensor zur Erzeugung eines zweiten Signals, welches für die Innentemperatur der
Batterie kennzeichnend ist;
- – Mitteln
zur Änderung
des Ladestroms in Reaktion auf eine Differenz zwi schen dem ersten
Signal und dem zweiten Signal.
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Eine Batterieladevorrichtung dieser
Art ist aus US-Patent 4 816 737 bekannt und kann u. a. für Elektrogeräte mit wiederaufladbaren
Batterien, wie zum Beispiel für
Rasierapparate, verwendet werden. Diese Art Batterieladevorrichtung
kann als Schnellladegerät,
welches das Laden mit einem verhältnismäßig großen Ladestrom
ermöglicht,
eingesetzt werden. Das Laden der Batterie wird unterbrochen, oder es
wird von Schnellladung auf Pufferladung umgeschaltet, sobald die
Temperatur der zu ladenden Batterie gegenüber der Umgebungstemperatur
ansteigt. Sobald die Batterie vollständig geladen ist, steigt deren
Temperatur in der Tat ziemlich rapide an, wenn der Ladevorgang nicht
rechtzeitig gestoppt wird. Der erste Sensor misst die Umgebungstemperatur
und ist diesem Zweck entsprechend angeordnet. Der zweite Sensor
misst die Temperatur der Batterie und befindet sich zu diesem Zweck
in thermischem Kontakt mit der Batterie. Bei einer bestimmten Temperaturdifferenz
zwischen den beiden Sensoren wird der Ladevorgang gestoppt, oder
es wird von Schnellladung auf Pufferladung umgeschaltet.
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Die Mittel zur Umwandlung der Eingangsspannung
weisen eine bestimmte Effektivität
auf, und sie erwärmen
sich ferner während
des Ladens der Batterie. Die erzeugte Wärme bewirkt einen zusätzlichen
Anstieg der Umgebungstemperatur. Die erzeugte Wärme ist von der Eingangsspannung
abhängig.
Die Wärmeerzeugung
nimmt im Allgemeinen mit Ansteigen der Eingangsspannung zu. Während des Ladens
wird die Umgebung ebenfalls erwärmt,
und die Temperaturdifferenz zwischen der Batterie und deren Umgebung
stellt kein genaues Abschaltkriterium mehr dar. Um sicherzustellen,
dass die Batterie nie überladen
wird, sollte der Abschaltpunkt der Batterieladevorrichtung für die Temperaturdifferenz
bemessen sein, welche bei dem zusätzlichen, maximalen Anstieg
der Umgebungstemperatur in Folge der Wärmeerzeugung der Mittel zur
Umwandlung auftritt. Das heißt,
dass bei Eingangsspannungen, bei welchen weniger Wärme erzeugt
wird, d. h. im Allgemeinen bei niedrigen Eingangsspannungen, der
Ladevorgang frühzeitig
gestoppt und die Batterie nie zu 100% geladen wird.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, diesen
Nachteil zu beheben. Zu diesem Zweck ist die Batterieladevorrichtung
der in dem einleitenden Absatz erwähnten Art gemäß der vorliegenden
Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Batterieladevorrichtung
weiterhin aufweist:
- – Mittel, um ein drittes Signal
zu erzeugen, welches für
die Eingangsspannung kennzeichnend ist; sowie
- – Mittel,
um die Differenz zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal
in Reaktion auf das dritte Signal zu beeinflussen.
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Das dritte Signal ist ein Maß für die zu
erwartende, zusätzliche
Wärmeerzeugung
und wird eingesetzt, um die Temperaturdifferenz, welche mit Hilfe des
ersten und zweiten Sensors bei dem Anstieg der Umgebungstemperatur
in Folge dieser zusätzlichen Wärmeerzeugung
gemessen wird, auszugleichen.
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Das dritte Signal kann auf verschiedene
Arten, zum Beispiel mit Hilfe eines Temperatursensors, welcher auf
einem Wärme
erzeugenden Teil des Netzteils der Batterieladevorrichtung angeordnet
ist, erzeugt werden. Ein Ausführungsbeispiel,
bei welchem die Wärmeerzeugung
auf andere Weise gemessen wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass
die Mittel zur Erzeugung einen, mit der Eingangsspannung zu verbindenden
Spannungsteiler aufweisen, welcher einen Abzweig vorsieht, um das
dritte Signal abzugeben.
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Diese Ausführungsform ist sehr einfach
und für
den vorliegenden Zweck geeignet, da die Wärmeerzeugung des Netzteils
mit der Spannungsdifferenz zwischen der Batterie und der Eingangsspannung
in Verbindung steht. Dieses trifft im Besonderen auf Batterieladevorrichtungen
zu, bei deren Eingangsspannung es sich um eine gleichgerichtete AC-Netzspannung
handelt.
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Die Art und Weise, in welcher das
dritte Signal eingesetzt wird, um die Temperaturdifferenz auszugleichen,
ist von der Struktur des elektrischen Stromkreises ab hängig. Es
besteht die Möglichkeit, die
Signale von dem ersten und dem zweiten Sensor zu einem Differenzsignal
zu verarbeiten und dieses Differenzsignal mit dem dritten Signal
zu verbinden. Eine weitere Möglichkeit
ist, zunächst
das dritte Signal mit dem Signal von einem der Sensoren zu kombinieren
und es dann zu einem Differenzsignal zu verarbeiten. Sollten der
erste und der zweite Sensor in eine Brückenanordnung integriert sein,
ist es von Vorteil, einen der beiden Sensoren mit dem Abzweig des
Spannungsteilers zu kombinieren. Für den ersten und den zweiten
Sensor können
temperaturabhängige
Widerstände,
welche vorzugsweise einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweisen,
verwendet werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden im Folgen näher beschrieben.
Es zeigen:
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1 – ein Ausführungsbeispiel
einer Batterieladevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 – ein alternatives
Ausführungsbeispiel einer
Batterieladevorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung; sowie
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3 – einen
elektrischen Rasierapparat mit wiederaufladbaren Batterien sowie
einer Batterieladevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Teile oder Elemente, welche die gleiche Funktion
oder den gleichen Zweck haben, sind in den Figuren mit den gleichen
Bezugsziffern versehen worden.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer Batterieladevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Batterie B wird mit Hilfe eines Netzteils PS, welches eine Eingangsspannung
Vi in einen Ladestrom ICH umwandelt,
geladen. Bei der Eingangsspannung Vi kann
es sich um eine beliebige, variable Gleichspannung handeln. Der
negative Anschluss der Eingangsspannung wirkt als Signalreferenz
und ist mit der Signalerdung verbunden. Die Eingangsspannung Vi ist zum Beispiel eine gleichgerichtete Netzspannung,
welche an die Anschlüsse
T1 und T2 angelegt,
mit Hilfe eines Gleichrichters D gleichgerichtet und mit Hilfe eines
Kondensators C geglättet wird.
Das Netzteil PS kann durch ein Netzteil eines gewünschten
Typs, zum Beispiel durch ein Schaltnetzteil oder einen DC-DC-Wandler, mittels
welchem ein Ladestrom ICH erzeugt werden
kann, dessen effektive Stromdichte mit Hilfe eines Steuersignals
UC zwischen einem hohen Wert bei Schnellladung
und einem geringen Wert bei Pufferladung variiert werden kann, dargestellt
sein. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, den Ladestrom ICH durch das
Steuersignal UC ein- und abzuschalten. Dieses
ist mit Hilfe einer steuerbaren Stromquelle CS, die durch das Steuersignal
UC gesteuert wird, symbolisch dargestellt. Das
Steuersignal UC wird von einem Komparator CMP
abgegeben, welcher einen Eingang aufweist, der mit einem Knotenpunkt
N1 zwischen einem Widerstand R1 und
einem ersten temperaturabhängigen Widerstand
oder Sensor RA verbunden ist, und einen weiteren
Eingang vorsieht, welcher mit einem Knotenpunkt N2 zwischen
einem Widerstand R2 und einem zweiten temperaturabhängigen Widerstand oder
Sensor RB verbunden ist. Der Widerstand
RA misst die Umgebungstemperatur und ist
vorzugsweise durch einen Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten
(NTC) dargestellt. Der Widerstand RA kann
sich zum Beispiel in thermischem Kontakt mit der Leiterplatte befinden,
in welcher sämtliche
Komponenten des Netzteils PS untergebracht sind. Der Widerstand
RB ist mit der Batterie B thermisch verbunden,
misst die Temperatur der Batterie B und ist vorzugsweise ebenfalls
durch einen Widerstand mit einem negativen Temperaturkoeffizienten dargestellt.
Die Widerstände
R1 und R2 sind mit
einer Spannungsquelle VS verbunden, welche eine konstante Referenzspannung
VR relativ zur Erde abgibt. Der Widerstand
RB ist unmittelbar mit Erde und der Widerstand
RA mit einem Abzweig N3 eines
Spannungsteilers R3-R4,
welcher zu der Eingangsspannung Vi parallel
geschaltet ist, verbunden. Ein Bruchteil k*Vi der
Eingangsspannung Vi tritt an dem Abzweig
N3 auf. Die Spannung an dem Abzweig N3 ist folglich ein Signal, welches ein Maß der Eingangsspannung
Vi darstellt.
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Die Batterie B bildet einen Teil
eines Elektrogeräts,
zum Beispiel eines Rasierapparats, dessen Antriebsmotor M über einen
Schalter SW mit der Batterie B verbunden ist. Selbstverständlich kann
die Erfindung ebenfalls bei anderen Geräten mit wiederaufladbaren Batterien,
wie zum Beispiel elektrischen Zahnbürsten, Bohrern und anderen
Werkzeugen, Audio/Video/Computer-Anlagen, tragbaren Telefongeräten usw.,
eingesetzt werden.
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Die Widerstände R1,
RA, R2 und RB bilden eine Brückenanordnung BR. Die Temperatur
der Batterie B steigt verhältnismäßig rapide
an, sobald die Batterie vollständig
geladen ist. Die Brückenanordnung
BR ist so ausgelegt, dass sich die Ausgangsspannung UC des
Komparators CMP dann ändert und
die Stromquelle CS von Schnellladung auf Pufferladung umschaltet
oder abgeschaltet wird. Dadurch wird verhindert, dass die Batterie
B überladen wird
und dadurch Schaden nimmt.
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Das Netzteil besitzt eine bestimmte
Leistungsfähigkeit
und erzeugt mit Ansteigen der Netzspannung mehr Wärme, wodurch
die Umgebungstemperatur beeinflusst wird. Dieser Einfluss wird durch
den Widerstand RA gemessen, wirkt sich auf Grund
der kurzen Zeitdauer des Ladevorgangs jedoch kaum auf die Temperatur
der Batterie B aus.
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Infolgedessen stellt die durch die
Brücke
BR gemessene Temperaturdifferenz kein genaues Kriterium für die Beendigung
des Ladevorgangs der Batterie B mehr dar. Die Ungenauigkeit nimmt
mit Ansteigen der Netzspannung zu, da die Wärmeerzeugung durch das Netzteil
mit Ansteigen der Netzspannung erhöht wird. Durch Anschließen des
NTC-Widerstands RA, welcher die Umgebungstemperatur misst,
an den Abzweig N3 wird eine Kompensation
für die
Wärmeerzeugung
in Folge der ansteigenden Netzspannung vorgesehen. Die höhere Spannung k*Vi an dem Abzweig N3 des
Spannungsteilers R3-R4 gleicht
die niedrigere Spannung an dem wärmeren NTC-Widerstand
RA aus, woraufhin nun die Umschaltung von
Schnellladung auf Pufferladung nach einem Anstieg der Batterietemperatur ähnlich diesem bei
niedrigeren Netzspannungen vorgenommen wird.
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2 zeigt
eine Variante, bei welcher die Brücke BR mit einem Differenzverstärker DA
verbunden ist, dessen Ausgang an einen Eingang des Komparators CMP
angeschlossen ist. Der andere Eingang des Komparators CMP ist mit
einem Knotenpunkt N4 zwischen einem Widerstand
R5 und einem dritten temperaturabhängigen Widerstand
oder Sensor RC, welcher in Reihe mit dem
Widerstand R5 zwischen der Referenzspannung
VR und Erde geschaltet ist, verbunden. Der
Widerstand RA der Brücke BR ist nun direkt an Erde
gelegt. Der Widerstand RC ist mit einem
Teil des Netzteils PS, dessen Wärmeerzeugung
für die
Größe der Eingangsspannung
Vi charakteristisch ist, thermisch verbunden.
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Es sei erwähnt, dass ebenfalls die Möglichkeit
besteht, ein Temperaturdifferenzsignal auf andere Weise als mit
Hilfe einer Brückenanordnung
zu erzeugen. Dieses ist zum Beispiel durch einzelne Sensoren für die Umgebungstemperatur
und die Batterietemperatur möglich,
deren Signale über
einzelne elektronische Stromkreise verstärkt und entweder zu einem analogen
oder einem digitalen Differenzsignal verarbeitet werden, wobei das
Differenzsignal durch ein drittes Signal, welches ein Maß der Eingangsspannung
oder des erwarteten Temperaturanstiegs in Folge einer zusätzlichen
Wärmeerzeugung
durch das Netzteil der Batterieladevorrichtung darstellt, kompensiert
wird.
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3 zeigt
einen elektrischen Rasierapparat mit einem Gehäuse 1, in welchem
der Antriebsmotor M, der drei rotierende Scherköpfe 2 antreibt, das Netzteil
PS und die wiederaufladbare Batterie B untergebracht sind. Der Motor
M wird mit Hilfe des Schalters SW auf dem Gehäuse 1 eingeschaltet.