DE8800552U1

DE8800552U1 - Ladegerät für Akkus

Info

Publication number: DE8800552U1
Application number: DE8800552U
Authority: DE
Original assignee: Kress-Elektrik & Co Elektromotorenfabrik 7457 Bisingen De GmbH
Current assignee: Kress-Elektrik & Co Elektromotorenfabrik 7457 Bisingen De GmbH
Priority date: 1988-01-19
Filing date: 1988-01-19
Publication date: 1988-03-24

Description

DIPL-ING. PETER OTTE* PATENTANWALT D-7250Leonberg

Vertreter beim Europäischen Patentamt / European Patent Attorney Tiroler Straße (5

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23.12.1987

Firma Kress-elektrik GmbH & Co. Elektromotorenfabrik, Horhijinor Strsße 7457 Hisin^rren

Ladegerät für Akkus
Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Ladegerät für Akkus u.dgl. nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Akku-Ladegeräte sind in vielfältiger Form bekannt; bei den meisten Geräten ist, abgestellt auf die jeweilige, in der Packung enthaltene Anzahl von Akkus der Ladestrom konstant so begrenzt, daß nach einer üblichen 14-stündigen Ladedauer der oder die Akkus voll geladen sind. Durch eine solche längere Ladedauer ist auch sichergestellt, daß allein schon im Hinblick auf die wiederholte Verwendungsfähigkeit eines solchen Akkus und den Umweltschutz der Akku bei der Ladung nicht überbeansprucht wird. Andererseits muß aber der Benutzer dafür sorgen, daß nach der 14-stündigen Ladung der Ladevorgang beendet wird, also entweder die Akkus aus dem Gerät entnehmen oder eine Leitungsverbindung mit endseitigem Stecker vom die Akkus enthaltenden Gerät abtrennen, damit nicht weitergeladen wird.

In diesem Zusammenhang sind auch schon Akku-Ladegeräte bekannt, in die ein sogenannter Akkupack eingesteckt werden

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kann, wodurch auch die elektrischen Anschlüsse hergestellt werden. Ein solcher Akkupack wird dann im geladenen Zustand fcn einer Handbohrmaschine, die hauptsächlich auch als (Schrauber eingesetzt werden kann, befestigt (Metabo).

Das separate Akku-Ladegerät, welches den Akkupack in einer Aufnahmehöhlung mindestens zum Teil aufnimmt, ist dabei so Ausgelegt, daß grundsätzlich stets mit einer Akku-Schnellladung begonnen wird, um sicherzustellen, daß das Gerät liöglichst umgehend wieder verwendet werden kann. Wird der Akku langer in dem Ladegerät gelassen, dann wird später auf den Zustand Dauerladung oder Erhaltungsladung umgeschaltet. In diesem Fall kann dann der Akku mehr oder weniger lange mit dem Ladegerät verbunden bleiben, ohne daß es zu ernsthaften Beschädigungen kommt. Der Übergang auf die Dauerladung wird durch Anzeigelampen am Ladegerät angezeigt, wobei während der Schnelladungsphase zwei Anzeigelampen, beim Übergang Und während der Dauerladung nur noch eine Anzeigelampe brennen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes, eine Vielzahl von möglichen Schaltungsvarianten umfassendes Ladegerät für Akkus u.dgl. zu schaffen, welche dennoch nur ßehr wenige Schaltungskomponenten benötigt und auf jeden Fall sicherstellt, daß die dem Ladevorgang unterworfenen Akkus im höchsten Maße schonend und auf ihren jeweiligen Zustand Rücksicht nehmend, behandelt werden.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und hat den Vorteil, daß bei Beginn jedes Ladungsvorgangs dann, wenn nicht manuell, also willkürlich durch den Benutzer eingegriffen wird, von der Ladungsphase Dauerladung ausgegangen wird, d.h., daß nach

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Anschluß von Netz und Batterie oder Akku das Ladegerät die schonende Aufladung der angeschlossenen Akkus ermöglicht; andererseits aber auch in der Lage ist, eine Schnelladungsphase dann durchzuführen, wenn der Benutzer dies ausdrücklich wünscht, wozu nach dem Anschluß des Geräts eine Starttaste betätigt werden muß. Das Ladegerät geht dann in die Schnelladungsphase über. Es verfügt aber über Mittel, die im Sinne eines doppelten Sicherheitsstandsrds dafür sorgen, daß die Schneiladung den angeschlossenen Akkus oder Batterien so wenig wie möglich schadet. Es ist daher eine Zeitschaltung vorgesehen, die die Schnelladungsphase auf einen vorgegebenen, jeweils bei der Herstellung des Gerätes in Abstimmung auf die zu ladenden Akkus einstellbaren Zeitraum begrenzt, beispielsweise eine halbe Stunde, eine Stunde, zwei Stunden u.dgl., zusätzlich zu der Anordnung eines Temperatursensors, welches den aktuellen Wärmezustand des der Schneiladung unterworfenen Akkus erfaßt und dem Ladegerät rückmeldet. Dabei hat die Temperaturrückmeldung sogenannten "Override-Charakter", das bedeutet, daß auch dann von der Schnelladephase auf die Erhaltungsladung oder Dauerladung rückgeschaltet wird, wenn die eingestellte Schnelladedauer noch nicht abgelaufen ist. Es wirken also zur Überwachung des Schnelladezustands die Timerfunktion sowie die Temperaturüberwachungsfunktion, wobei die Temperaturmessung direkt am Akku beispielweise über einen NTC-Widerstand erfolgt.

Vorteilhaft ist ferner, daß die Vielzahl der durch die Erfindung gebotenen Schaltungsmöglichkeiten keinen umständlichen Aufbau mit einer größeren Anzahl diskreter Elemente erforderlich macht, da für den Überwachungs- und Steuerbereich des Ladevorgangs ein IC-Baustein eingesetzt wir;' er lediglich noch durch geringfügige äußere Beschaltung auf den jeweiligen Anwendungszweck programmiert wird.

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Die Ladung erfolgt dabei über einen an den Gleichrichterausgang angeschlossenen Triac, der über einen weiteren Triac oder einen Transistor angesteuert wird, so daß die Stromerzeugung für die angeschlossenen Akkus oder Batterien durch

Steuerung des Tastverhältnisses von Netzimpulspaketen durchgeführt wird, etwa nach Art einer Phasenanschrittsteuerung, wobei auf eine Folge gleichgerichteter Netzhalbwellen (gewonnen durch Vollweggleichrichtung) gearbeitet wird.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Naßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung der Netzfrequenz als Zeitbasis für die Timerfunktion, wobei der die Ladevorgänge kontrollierende und bestimmende IC-Baustein freie Programmiereingänge aufweist, über die zusätzliche Informationen über die Arbeitsweise eingegeben werden können. So kann ein vorgegebenes Tastverhältnis für die vom Triac jeweils durchgelassenen Halbwellenpakete eingestellt werden, so daß die gewünschte Strommenge mit hoher Genauigkeit vorgegeben werden kann, die pro Zeiteinheit entwedei

bei Schneiladung oder bei Dauerladung in den angeschlossenen Akku fließt.

Das erfindungsgemäße Ladegerät ist daher in der Lage, in feinfühliger Abstimmung auf das Verhalten des angeschlossenen Akkus selbst bzw. zeitabhängig zu handeln und den gewünschten Ladestrom vorzugeben, wobei auch dann eine Strombegrenzung in der Ladephase möglich ist, wenn der angeschlossene Akku schon durch einen vorhergehenden, intensiven Gebrauch heiß geworden ist, so daß er eine Schnellladung nicht mehr verträgt. In diesem Fall schaltet die Temperaturmessung über den IC-Block den Schnelladevorgang ab, auch wenn manuell die Schnelladephase angewählt worden ist und die vom Gerät hierfür vorgesehene Zeit nicht abgelaufen ist.

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Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführunsform des erfindungsgemäßen Ladegerets in einer Seitenansicht und

Fig. 2 in einer Ansicht von oben, während die Fig. 3 das Ladegerät in einer Schnittdarstellung zeigt;

Fig. 4 zeigt den Schaltungsaufbau des Ladegeräts, bei dem sich die noch vorhandenen diskreten Elemente um den IC-Baustein gruppieren, bei nicht dargestelltem Transformator.

Beschreibung der Ausfuhrungsbeispiele

Das Gehäuse des erfindungsgemäßen Ladegeräts ist, wie den Darstellungen der Fig. 1 und 3 entnommen werden kann, griffsympatisch und kompakt so aufgebaut, daß es im Schnitt eine ellipsoide Form aufweist, die in der Außenform entsprechend der Darstellung der Fig. 2 im wesentlichen kreisrund ist. In der üblichen Weise ist das Ladegerät 10 mit dem Netzstecker 11 nach Euro-Norm einstückig ausgebildet und verfügt über ein Ladekabel 12, mit welchem es an den jeweils zu ladenden Akku angeschlossen wird. Der äußere Aufbau des aus zwei Halbschalen 13a und 13b aufgebauten Gehäuses 13 vervollständigt sich durch einige Kühlrippen 14 und durch ein äußeres Anzeige- und Bedienungsfeld 15, welches aus zwei Leuchtdioden 16a, 16b besteht und einem Tastschalter 17. Die Ladeleitung 12 nimmt auch die elektrischen Zuleitungen für den Temperatursensor auf, wobei das Ladegerät über die Zuleitung 12 so mit den mit den Akkus ausgerüsteten Gerät oder nur mit einem Akkupack verbunden wird, daß der in der

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Zeichnung nicht dargestellte Stecker, in welchen der Temperatursensor in der bevorzugten Form eines NTC-Widerstands integriert ist, sich in einem direkten körperlichen Kontakt unmittelbar angrenzend zu dem oder den zu ladenden ?ikku(s) befindet.

Auf diese Weise ergibt sich eine Temperaturrückmeldung über den Frhitzungsgrad des oder der jeweils angeschlossenen Akkus, was in der Schnelladephase von Bedeutung ist.

Die Schaltung der Fig. 4 zeigt den elektrischen Aufbau des Ladegeräts untei/ Verwendung eines IC-Bausteins 18 als steuerndes und den Ladevorgang überwachendes Hauptelement.

Die von einem nicht dargestellten Transformator abwärtstransformierte Wechselspannung liegt an den Eingangsklemmen 18 der Schaltung als U1 an und gelangt über einen Brückengleichrichter 19 als doppelweggleichgerichtete Halbwellen- «pannung zu einem Thyristor 20, der über die Ausgangsklemmen 21a, 21b in Reihe mit dem zu ladenden Akku 22 gegen Masse geschaltet ist.

Die Aussteuerung des Triac 20 erfolgt über einen vorge-

% schalteten Halbleiter 22 als Stellglied, welches ebenfalls

ein Triac oder Transistor sein kann.

Der IC-Baustein 17 hat eine Anzahl von Komparatoreingängen, an denen eine Widerstandskombination aus den Widerständen R1, R2, R3 und R4 anliegt, die von einer Gleichrichter- und Konstanthalteschaltung 23 mit Spannung versorgt werden. Ausgänge SL und DL des IC-Bausteins 17 steuern über vorgeschaltete Widerstände R5 und R9 Leuchtdioden D3 und D2 en, wobei die Leuchtdiode D3 bei Schneiladung und die Leuchtdiode D2 bei Dauerladung aufleuchtet. Es ist ferner

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ein Eingang PT des IC-Bausteins 17 vorgesehen, dem über eiaen Widerstand R10 ein Spannungssignal der an den zu ladenden Akku anliegenden Spannung zugeführt wird; über den Ausgang OA steuert der IC-Baustein 17 das Stellglied 22 an, welches die Stromerzeugung über den Triac 20 steuert.

Dem Eingang CK1 wird über den Widerstand R8 und die Leitung 24 vom sekundären Netztrafo die Netzfrequenz zugeführt, die als Zeitbasis für die Timerfunktion ausgenutzt wird. Die Taste T1 dient als Starttaste der Einschaltung der Schnelladung und nach abermaliger Betätigung der Rückechaltung in den Dauerladungszustand (sogenannte Toggle-Punktion).

Der IC-Baustein 17 ist so ausgelegt und geschaltet, daß nach Anschluß von Netz und Batterie das Ladegerät zunächst und immer dann, wenn eine Tasterbetätigung ausbleibt, im Zustand der Dauerladung bzw. Erhaltungsladung bleibt. Diese Dauerladung kann dann durch die kontinuierlich leuchtende f.euchtdiode D2 angezeigt werden.

Wird die Starttaste T1 betätigt, dann ergibt sich durch das kurzzeitige Anlegen des Massepotentials an den Eingang FS des IC-Bausteins 17 ein Umschaltvorgang und die Schnelladephase mit wesentlich erhöhtem, dem angeschlossenen Akku zugeführeen Strom beginnt, wobei je nach Wunsch und nach Auslegung entweder wahlweise die zweite Leuchtdiode D3 kontinuierlich aufleuchtet odsr auch bei Verbindung des zweiten Anschlußpins für diese Leuchtdiode mit Masse die erste Leuchtdiode D2 dann blinkt (etwa 2 Hz). Dies hängt natürlich von der Auslegung des IC-Bausteins ab.

Der Temperatursensor P1 in Form eines NTC-Widerstandt ist •o geschaltet, daß nach Ablauf eines vorgegebenen Zeit-

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räume, beispielsweise von 4 Minuten und dann jeweils wiederholend in diesen Zeitabständen die Temperaturmessung des Akkus über den NTC-Widerstand PI abgefragt wird.

Dabei ergibt sich bei bestehender Schneiladung eine Rückschaltung auf den Zustand der Dauerladung bei

1) Überschreiten einer oberen Temperatur von 45°C (± eines Toleranzwerts, beispielsweise 5 "C) bzw.

2) Unterschreiten einer unteren Temperatur von 5^eC (ebenfalls ± eines Toleranzwerts von z.B. 5^eC).

Außerdem geht nach einer über eine äußere Schaltung programmierbaren Zeitdauer die Schaltung aufgrund der IC-Funktion automatisch aus der Schnelladephase in den Dauerladungszustand zurück, wobei eine Timerfunktion des IC die einstellbare Zeitdauer überwacht, die je nach Auslegung des Ladegeräts auf Art, Kapazität und Anzahl der angeschlossenen Akkus beispielsweise bei einer halben Stunde, einer Stunde oder zwei Stunden liegen kann (Timerfunktion).

Als Zeitbasis für diese Timerfunktion dient die dem Anschluß CK1 zugeführte Netzfrequenz von 50, gegebenenfalls auch von 60 Hz.

Die Stromerzeugung, d.h. die Stromzeitfläche der von dem Triac 20 je nach Tastverhältnis durchgelassenen Netzimpulspakete ergibt sich durch die Ansteuerung des Triacs vom Stellgliedausgang OA des IC-Bausteins 17 über das Stellglied 22, wobei das Tastverhältnis durch eine entsprechende Programmierung der Anschlüsse für die Spannungs- und Kapazitätsanpassung an den noch frei verfügbaren Eingängen (Programmiereingänge) je nach den Erfordernissen vorgenommen

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werden kann. Dabei kann das Stellglied wahlweise ein Triac oder ein Transistor sein; bei Triac-Steuerung wird der Triac in der einen Phase mit Zündimpulsen versorgt; ein Transistor wie in der Zeichnung dargestellt erhält während der einen Phase kontinuierlichen Steuerstrom. Je nachdem also, ob sich das Ladegerät in der Schnelladephase oder in der Erhaltungsladephase befindet, wird der Triac 20 über das Stellglied 22 unterschiedlich angesteuert, so daß sich eine auf den jeweiligen angeschlossenen Akku abgestimmte unterschiedliche Stromlieferung an den Außenanschlüssen 21a, 21b des Ladegeräts ergibt. Es wird nochmals darauf hingewiesen, daß der NTC-Widerstand P1 für die Temperaturmessung des oder der angeschlossenen Akkus so räumlich angeordnet ist, daß er sich im Betrieb in unmittelbar angrenzender körperlicher Nähe zu dem Akku befindet; vorzugsweise ist er daher in den Anschlußstecker integriert und seine elektrischen Zuleitungen verlaufen in dem Ladekabel 12.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Claims

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Vertreter beim Europäischen Patentamt / European Patent Attorney Tiroler Straße

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Firma Kress-elektrik GmbH & Co., Elektromotorenfabrik, Hechinger Straße, 7457 Bisingen

Schutzansprüche

1. Ladegerät für Akkus, Batterien u.dgl., mit Transformator, Gleichrichter und Mitteln zur Umschaltung zwischen Schnell- und Dauerladung (Erhaltungsladung), dadurch gekennzeichnet,

daß die Ladeschaltung des Ladegeräts (10) so ausgelegt

ist, daß bei Ingebrauchnahme auf Dauerladung geschaltet

ist,

daß ein von außen betätigbarer Schalter (Tastschalter T1)

vorgesehen ist, der eine willkürliche Umschaltung zwischen

Schneiladung und Dauerladung ermöglicht,

daß ein den Erwärmungsgrad des jeweils angeschlossenen

Akkus erfassender Temperatursensor (NTC-Widerstand P1)

vorgesehen ist, der so auf die Ladeschaltung rückwirkt,

daß mindestens bei Überschreiten eines vorgegebenen

< Temperaturlimits zwangsweise von Schneiladung auf Dauer-

ladung rückgeschaltet wird und

daß parallel hierzu eine Zeitschaltung vorgesehen ist, die nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraums nach Übergang auf Schneiladung ebenfalls aus dieser auf Dauerladung rückschaltet.
2. Ladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an einem insgesamt abgerundeten, annäherend eiförmigem

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Gehäuse ein mindestens eine den jeweiligen Ladezustand anzeigende Leuchtdiode (D3, D2) sowie einen Tastschalter (T1) für die willkürliche Umschaltung zwischen Schnellladung und Dauerladung in beliebiger Abfolge umfassendes Bedienungsfeld (15) angeordnet ist.
3. Ladegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Leuchtdiode (D2) für die Anzeige des Dauerladungszustauds und eine zweite Leuchtdiode (D3) für die Anzeige des Schnelladezustands vorgesehen sind .
4. Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die runde Gehäuseform im Querschnitt zusammengedrückt-elliptisch ist.
5. Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für die Durchführung der Stromsteuerung- und Überwachungsvorgänge ein integrierter Baustein (IC-Baustein 17) vorgesehen ist, der durch eine zusätzliche äußere Beschaltung entsprechend den gewünschten Funktionen, Zeitdauern, Stromgrößen u.dgl. programmierbar ist.
6. Ladegerät nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Realisierung der Timerfunktion für die Zeitdauerüberwachung der Schneiladung die über einen Widerstand dem IC-Baustein (17) zugeführte Netzfrequenz als Zeitbasis verwendet ist.
7. Ladegerät nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromsteuerung durch Veränderung des Tastverhältnisses eines Tr.tacs (20) erfolgt, der von dem IC-Baustein (17) je nach verlangtem Ladevorgang (Schneiladung - Dauerladung) und in Abhängigkeit zu

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vorprogrammierten, auf die Art des angeschlossenen Akkus abgestimmten Werten über ein Stellglied (22) angesteuert ist.
8. Ladegerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
das Stellglied ein Triac oder ein Transistor ist, wobei der Triac mit Zündimpulsen zu seiner Durchschaltung
versorgt wird, während dem Transistor ein kontinuierlicher Steuerstrom zugeführt ist.
9. Ladegerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturmessung des jeweils zur Ladung angeschlossenen Akkus nach vorgegebenen Zeiträumen wiederholt vom IC-Baustein (17) abgefragt und bei einen vorgegebenen Grenzwert überschreitender Akku-Temperatur zwangsweise von Schneiladung auf Dauerladung zurückgeschaltet wird.