DE9209120U1

DE9209120U1 - Batterieladegerät

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Publication number: DE9209120U1
Application number: DE9209120U
Authority: DE
Original assignee: E LEAD ELECTRONIC Co Ltd CHANG HUA TW
Current assignee: E LEAD ELECTRONIC Co Ltd CHANG HUA TW
Priority date: 1992-07-08
Filing date: 1992-07-08
Publication date: 1992-09-10
Anticipated expiration: 2002-07-09

Description

07. Juli 1992

E. Lead Electronic Co., Ltd. Changhua City, Taiwan

Batterieladegerät

Die vorliegende Neuerung bezieht sich auf Ladegeräte für wiederaufladbare Batterien (Akkumulatoren), und hier auf solche Geräte, die den Ladevorgang in zwei Stadien oder Phasen durchführen, in deren erstem mit verhältnismäßig hoher Stromstärke geladen wird, bis schnell die vollständige oder nahezu vollständige Aufladung erzielt ist, und in deren anschließendem zweiten Stadium der Ladestrom verringert wird. Bei den meisten Geräten dieser Art wird dabei auf einen den Ladezustand erhaltenden Erhaltungsstrom zurückgeschaltet, der die Batterie nicht unzulässig erhitzt und ihr nicht schadet.

Es kann unterschieden werden zwischen Schnelladegeräten und Langsamladegeräten. Die Schnelladegeräte, die die angeschlossenen Batterien mit hoher Stromstärke ziemlich schnell aufladen, verwirklichen einen Ladeverlauf, wie er vergleichsweise qualitativ in Fig. 3 gezeigt ist, die den Ladestrom über der Zeit zeigt. Im Zeitpunkt A ist die Batterie voll aufgeladen und der hohe Ladestrom fließt noch einige Zeit weiter, bis die Zurücknahme erfolgt. Damit ist die Fläche A2 die zur Aufladung benötigte Strommenge und ist bei gegebener Spannung proportional der eingespeisten Energie, und die Fläche Al gibt eine Uberladungsenergie an, die in Wärme umgesetzt wird, was zu unzulässiger Erhitzung oder gar zum Kochen der Batterie führen kann.

Fig. 4 zeigt den Ladevorgang mit einem Langsamladegerät, bei dem der Ladestrom während der Aufladung allmählich absinkt, und zwar in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der Spannung des Ladegeräts und der zunehmenden

Spannung der Batterie. Hier geht die eingespeiste Leistung aber frühzeitig auf unnötig geringe Werte zurück, so daß die zur Volladung notwendige Energie erst nach langer Zeit im Zeitpunkt B erreicht wird, d.h. daß der Zeitpunkt B, in dem die Fläche Bl der Fläche A2 entspricht, erst spät erreicht wird. Diesem Nachteil steht der Vorteil gegenüber, daß keine unzulässige Wärme entwickelt wird.

Zur Feststellung des Ladezustands einer Batterie dienen verschiedene Maßnahmen mit jeweils eigenen Nachteilen. Eine erste Möglichkeit ist die Verfolgung der Spannung der Batterie während der Ladung, die jedoch beeinflußt ist von der Aufheizung der Batterie auf Grund übermäßiger Energieeinspeisung. Die zweite Möglichkeit ist die Verwendung eines Fühlers zur Verfolgung der Temperatur der Batterie, und wenn die Temperatur einen vorbestimmten Wert erreicht, wird der Ladevorgang unterbrochen. Die dritte Möglichkeit ist die Berechnung der zur Aufladung erforderlichen Zeit nach der Gleichung T= Q/I

mit Q = Kapazität der Batterie in Amperestunden und I = eingespeister Ladestrom.

Bei Anwendung der ersten Möglichkeit kann die Batterie leicht zu Schaden kommen, weil sie häufig mit zu hoher Stromstärke überladen und überhitzt wird. Die zweite Möglichkeit ist nicht genau genug, weil die Umgebungstemperatur einen Einfluß auf den Regelvorgang hat, und wenn man dies durch weiteren Aufwand ausschließen will, wird die Einrichtung teuer. Die dritte Möglichkeit ist schwierig zu handhaben, wenn Batterien verschiedener Kapazität geladen werden sollen und jedesmal eine Berechnung vorgenommen werden müßte. Außerdem ist der Ladestrom manchmal schwankend und auch der Ladezustand der Batterie bei Beginn der Ladung ist nicht immer gleich.

Insgesamt sind die bekannten Ladegeräte mit verschiede-

nen Detektoren zur Bewirkung einer Zurücknahme des Ladestroms entweder aufwendig und teuer oder wenig wirksam bezüglich der genauen Erfassung der überwachten Parameter.

Aufgabe der vorliegenden Neuerung ist die Schaffung eines Ladegeräts für eine elektrische Batterie, das die Ladung in zwei Phasen durchführt, deren erste eine schnelle Ladung mit hohem Ladestrom bis in die Nähe der vollständigen Ladung ist, und deren zweite eine langsame Weiterladung bis zur vollständigen Aufladung ist, deren Fortsetzung über die vollständige Aufladung hinaus keine unzulässige Aufheizung der Batterie bewirkt und nicht schädlich ist. Dabei soll die erste Ladephase mit konstantem Strom bis zu einem Ladezustand von 90 bis 95 % durchgeführt werden, worauf das Gerät automatisch in die zweite Ladephase überführt wird, in der die Batterie vollständig fertiggeladen wird und auch bei andauernder Überladung keine übermäßige Aufheizung geschieht. Das Ladegerät soll dabei von einfachem Aufbau sein und billig hergestellt werden können.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch die in den Schutzansprüchen angegebenen Merkmale.

Die Neuerung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild des Batterieladegeräts;

Fig. 2 den Verlauf des Ladestroms über der Zeit mit diesem Gerät;

Fig. 3 vergleichsweise den Ladestrom über der Zeit bei

einem Schnelladegerät;

Fig. 4 vergleichsweise den Ladestrom über der Zeit bei einem Langsamladegerät;

Fig. 5 das Schaltbild einer Ladeanlage für drei Batterien auf der Basis des vorgeschlagenen Batterieladegeräts .

Die Energie zum Laden einer Batterie BATT wird von einer mit Vcc bezeichneten Gleichstromquelle geliefert. Dabei ist in den Ladestromkreis eine Spannungsanpassungseinheit 10 eingeschaltet, an deren Ausgang a der Pluspol der Batterie angeschlossen ist. Der Minuspol der Batterie ist über einen Detektorwiderstand R_T an den Minuspol der Gleichstromquelle V_cc angeschlossen bzw. geerdet.

Weiterhin gehören zu dem Ladegerät ein erster Vergleicher 20, dessen Ausgang den Eingang b der Spannungsanpassungseinheit 10 beaufschlagt, ein zweiter Vergleicher 30, dessen Ausgang den Eingang c einer Vorspannungssteuereinheit 40 beaufschlagt und eine Bezugsspannungsquelle 50. Eine Leuchtdiode LED dient zur Anzeige der Hochstromladephase .

Das sich am negativen Pol der Batterie, d.h. zwischen der Batterie und dem Detektorwiderstand R, einstellende Spannungspotential V_T, das Detektorspannung genannt werden kann, wird auf den invertierenden Eingang des ersten Vergleichers 20 sowie den nicht invertierenden Eingang des zweiten Vergleichers 30 gegeben.

Der nicht invertierende Eingang des ersten Vergleichers 20 ist von einer Bezugsspannung V₁ und der invertierende Eingang des zweiten Vergleichers 30 von einer Bezugsspannung V₂ beaufschlagt, wobei diese niedriger als die Bezugsspannung V₁ ist. Die Bezugsspannungen werden von der Bezugsspannungsquelle 50 erzeugt, welche aus einem Widerstand Rl und einer Zenerdiode Z₀₁ sowie als Spannungsteiler hinterexnandergeschalteten Widerständen R2, R3 und R4 aufgebaut ist.

Die Leuchtdiode LED ist zwischen den Ausgang des zweiten Vergleichers 30 und Erde geschaltet.

Die Spannungsanpassungseinheit 10 hat einen in den Ladestromkreis zwischen der Gleichstromquelle V« und dem

Pluspol der Batterie geschalteten Transistor Ql, über dessen Kollektor-Emitter-Strecke der Ladestrom I_CE fließt. Der Emitteranschluß stellt den Ausgang a der Spannungsanpassungseinheit 10 dar.

Die Basis des Transistors Ql ist über einen Widerstand an den Eingang b der Spannungsanpassungseinheit 10, d.h. an den Ausgang des ersten Vergleichers 20 angeschlossen und außerdem über eine Zenerdiode Z_D2 und einen Widerstand Rd an Erde, wobei die Verbindung zwischen diesen an den Ausgang d der Vorspannungssteuereinheit 40 angeschlossen ist. Diese ist aus zwei Transistoren Q2 und Q3 aufgebaut, wobei die Basis von Q3 vom Eingang c der Vorspannungssteuereinheit 40 angesteuert ist.

Die Funktion des beschriebenen Batterieladegeräts ist folgende:

Wenn keine Batterie an das Ladegerät angeschlossen ist, kann kein Ladestrom fließen und die Detektorspannung V_T ist Null. Damit ist V₁ > V₂ > V_T, was zu einem positiven Signal am Ausgang des ersten Vergleichers 20 und einem negativen Signal am Ausgang des zweiten Vergleichers führt. Damit liegt am Transistor Ql eine positive Basisansteuerspannung V_B. Die Basis des Transistors Q3 der Vorspannungssteuereinheit 40 wird dagegen nicht angesteuert, so daß dieser sperrt, was zu einer Leitendsteuerung des Transistors Q2 führt. Dies wiederum bewirkt, daß die Zenerdiode Z_D2 der Spannungsanpassungseinheit 10 unmittelbar geerdet ist, so daß die Ansteuerspannung V_B eine stabile, von der Zenerdiode Z_D2 bestimmte Spannung ist, nämlich gleich der Durchbruchsspannung V₂ der Zenerdiode. Da jedoch der Emitteranschluß des Transistors Ql offen ist, kann kein Ladestrom I_CB fließen.

Wenn eine zu ladende Batterie angeschlossen wird, wird der Ladekreis zwischen dem Emitter von Ql und dem Detektorwiderstand R_T geschlossen. Die Batteriespannung V₈₄T

ist zunächst niedrig, so daß die Ansteuerspannung V_B höher liegt als die am Emitter von Ql anstehende Spannung Vbvt und der Basis-Emitter-Übergang B-E positiv ist. Über die Kollektor-Emitter-Strecke C-E fließt somit ein Ladestrom I_CE.

Dieser Ladestrom fließt über den Detektorwiderstand Rr und bewirkt einen Spannungsabfall, so daß die Detektorspannung V_T einen positiven Wert annimmt, der jedoch entsprechend der Auslegung der Bezugsspannungsquelle 50 kleiner bleibt als V₁. Das Signal am Ausgang des ersten Vergleichers 20 bleibt somit positiv und die Ansteuerspannung V_B bleibt erhalten.

Die aufgetretene Detektorspannung V, liegt jedoch höher als die Bezugsspannung V₂, so daß am Ausgang des zweiten Vergleichers 30 ebenfalls ein positives Signal erscheint, welches die Leuchtdiode LED speist, deren Leuchten anzeigt, daß der Ladevorgang stattfindet.

Gleichzeitig wird die Basis des Transistors Q3 der Vorspannungssteuereinheit 40 angesteuert, so daß dieser leitet und das Ansteuersignal der Basis von Q2 verschwindet, so daß dieser Transistor sperrt. Dadurch wird die Zenerdiode Z_D2 nicht mehr unmittelbar geerdet, sondern wird an eine Spannung V_d gelegt, die gleich dem Spannungsabfall am Widerstand R₁ ist, welcher erzeugt wird von dem Strom, der jetzt von der Gleichstromquelle Vcc über den Vorwiderstand des Transistors Q2, den Ausgang d der Vorspannungssteuereinheit 40 und den Widerstand Ra fließt. Die Anhebung des Potentials am Ausgang d auf den Wert V_d addiert sich jetzt zur Durchbruchsspannung V₁ der Zenerdiode, so daß die Ansteuerspannung V_B des Transistors Ql angehoben wird auf V_B = V_z + V&ldquor;.

Die Erhöhung der Ansteuerspannung V_B macht die Spannung des Basis-Emitter-Übergangs größer und erhöht somit den über die Kollektor-Emitter-Strecke fließenden Ladestrom

I_CE. Dieser hohe Ladestrom fließt in der ersten Hochstromladephase der Batterie und führt zu einer verhältnismäßig schnellen Ladung derselben.

Zunächst steigt die Batteriespannung V^, nur langsam an, so daß die beschriebenen Schaltzustände sich nicht ändern und der Ladestrom I_CE von der Spannungsanpassungseinheit 10 auf dem hohen Niveau konstant gehalten wird. Wenn die Batterie sich ihrem vollgeladenen Zustand nähert, steigt ihre Spannung sprunghaft an, was zu einer Abnahme des Ladestroms I_CE sowie zu einem Ansteigen des Potentials am Emitter des Transistors Ql führt, so daß die Höhe der Spannung über der Basis-Emitter-Strecke ebenfalls kleiner wird und der Ladestrom I_CE auch hierdurch abnimmt.

Wenn der Ladestrom I_CE unter einen vorgegebenen Wert i_o (Fig. 2) sinkt, wird der zweite Vergleicher 30 umgeschaltet. Dies geschieht, wenn die Detektorspannung V_T unter die Vergleichsspannung V₂ absinkt, und da V_T = I« · R,

folgt die Umschaltung bei

Ice < &iacgr;&ogr; =

Bei der Umschaltung wird der Ausgang des zweiten Vergleichers 30 negativ, die Leuchtdiode LED erlischt, der Transistor Q3 sperrt und der Transistor Q2 wird leitend gesteuert, so daß die Zenerdiode Z_D2 der Spannungsanpassungseinheit 10 unmittelbar geerdet wird. Dadurch sinkt die Ansteuerspannung V_B des Transistors Ql vom Wert V_B = V₂ + V_d wieder auf den Wert V₂ und der Ladestrom I_CE wird auf einen geringen Dauerwert heruntergesteuert.

Die Auslegung wird derart getroffen, daß die Umschaltung bei einem Wert der Batteriespannung Vbat geschieht, die nur wenig kleiner als die maximale Stabilisierungsspannung der Zenerdiode Z₀₂ ist und bei dem Wert, der einem Ladezustand von 90 bis 95 % entspricht. Dabei ist die

Spannung über der Basis-Emitter-Strecke des Transistors Ql nur noch klein und der Ladestrom I_CE entsprechend gering, und zwar so, daß sich die Batterie nicht aufheizen kann. Dies stellt die zweite Phase des Ladevorgangs dar.

Es ist zu sehen, daß die Batterie in der ersten Ladephase, die durch das Leuchten der Leuchtdiode LED signalisiert wird, schnell auf 90 bis 95 % ihrer Kapazität aufgeladen wird, wodurch sie schnell in einen gebrauchsfähigen Zustand zurückversetzt wird. Danach findet in der zweiten Phase eine langsame Nachladung mit einem kleinen Strom statt, der die Batterie bei ausreichender Zeit bis zur vollständigen Aufladung bringt und der die Batterie auch bei eventueller Weiterladung nicht merklich aufheizt.

Der in Fig. 2 gezeigte Verlauf des Ladevorgangs zeigt die erste Hochstromladephase mit einem Ladestrom von I₀, der gegen Ende dieser Phase auf i_o absinkt, was die Umschaltung auf die zweite Phase der Nachladung auslöst, die dann mit kleinem Dauerwert des Ladestroms bis zur Volladung beim Zeitpunkt C stattfindet, wobei der Ladestrom auch bei weiterem Anschluß über die Volladung hinaus nicht schädlich ist.

Der Vergleich mit den Ladevorgängen gemäß Fig. 3 und 4, also bei einem Sehne11adegerät bzw. einem Langsamladegerät, zeigt, daß die Vorteile beider kombiniert sind.

Fig. 5 zeigt, wie auf der Basis des beschriebenen Ladegeräts eine Ladeanlage für eine Mehrzahl von Batterien gebaut werden kann, die dann automatisch nacheinander in der beschriebenen Weise aufgeladen werden. Dabei betrifft Fig. 5 beispielhaft eine Ladeanlage für drei Batterien und zeigt das Prinzip, wie eine Anlage ebenso für vier oder mehr Batterien gebaut sein kann.

Im ersten Ladekreis A ist der Ausgang des zweiten Vergleichers 30a zusätzlich an zwei parallel liegende Dioden angeschlossen, deren erste den invertierenden Eingang des ersten Vergleichers 20b im zweiten Ladekreis B und deren zweite den invertierenden Eingang des ersten Vergleichers 20c des dritten Ladekreises C beaufschlagt.

Im zweiten Ladekreis B ist der Ausgang des zweiten Vergleichers 30b zusätzlich über eine dritte Diode ebenfalls an den invertierenden Eingang des ersten Vergleichers 20c des dritten Ladekreises C angeschlossen. Die invertierenden Eingänge der ersten Vergleicher 20 im zweiten und dritten Ladekreis B und C ist jeweils ein Strombegrenzungswiderstand vorgeschaltet.

Die betrachtete Ladeanlage ist somit aus drei Geräten und zusätzlich nur drei Dioden und zwei Widerständen aufgebaut. Es ist zu sehen, daß bei Einrichtung einer solchen Ladeanlage für &eegr; Batterien zusätzlich &eegr; Dioden und n-1 Strombegrenzungswiderstände benötigt werden.

Die Ladeanlage läßt die ersten Hochstromladephasen der angeschlossenen Batterien nacheinander in der Reihenfolge A, B, C usw. ablaufen. Während dieser Phase stehen an den Ausgängen der zweiten Vergleicher 30 positive Signale an. Ist dies beim Ladekreis A der Fall, so wird das positive Ausgangssignal des zweiten Vergleichers 30a über jeweils eine Diode (die erste und die zweite Diode) und den zugehörigen Strombegrenzungswiderstand auf die invertierenden Eingänge der ersten Vergleicher 20b und 20c der Ladekreise B und C gegeben, so daß diese negative AusgangssignaIe erzeugen und durch entsprechende Ansteuerung der Transistoren ihrer Spannungsanpassungseinheiten die dortigen Ladevorgänge verhindern.

Wenn im Ladekreis die Umschaltung von der ersten Hochstromphase auf die Dauerladung geschieht, also der zweite Vergleicher 30a umgeschaltet wird, verschwindet des-

-lO-sen positives Ausgangssignal und der erste Vergleicher 20b des zweiten Kreises B kann auf ein positives Ausgangssignal umschalten, was die Hochstromladephase dieses Kreises einleitet. Gleichzeitig übernimmt das positive Ausgangssignal des zweiten Vergleichers 30b über die dritte Diode die Sperrung des dritten Kreises C. Dieser schaltet sich entsprechenderweise ein, wenn die Hochstromladephase des zweiten Kreises B zu Ende geht.

Es ist somit sichergestellt, daß während der Hochstromladung eines vorgeordneten Kreises alle nachfolgenden Kreise gesperrt sind und nach Beendigung dieser Hochstromladung der nächstfolgende Kreis eingeschaltet wird. Auf diese Weise kann eine Gleichstromquelle V_1x-, deren Leistungsvermögen das Hochstromladen nur einer Batterie gleichzeitig gestattet, zum automatisch aufeinanderfolgenden Laden einer Mehrzahl von Batterien dienen.

Claims

07. Juli 1992 Schutzansprüche

1. Batterieladegerät zur Aufladung einer Batterie in einer ersten Phase mit hohem Ladestrom bis zur Erreichung eines vorgegebenen Ladezustandes und Weiterladung mit niedriger Stromstärke,

gekennzeichnet durch eine Spannungsanpassungseinheit (10), über die der positive Pol einer aufzuladenden Batterie (BATT) an eine Gleichstromquelle (V₀₀) anschließbar ist, und einen Detektorwiderstand (R,) , über den der negative Pol der Batterie an Erde (negativ) gelegt ist, einen ersten Vergleicher (20), dessen invertierender Eingang an den Minuspol der Batterie gelegt ist, dessen nicht invertierender Eingang an eine erste höhere Bezugsspannung (V₁) einer Bezugsspannungsquelle (50) gelegt ist, und dessen Ausgang auf den Eingang (b) der Spannungsanpassungseinheit (10) wirkt, einen zweiten Vergleicher (30), dessen invertierender Eingang von einer zweiten niedrigeren Bezugsspannung (V₂) der Bezugsspannungsquelle (50) beaufschlagt ist und dessen nicht invertierender Eingang an den negativen Pol der Batterie gelegt ist und dessen Ausgang eine mit ihrem anderen Anschluß geerdete Leuchtdiode (LED) sowie den Eingang einer Vorspannungssteuereinheit (40) beaufschlagt,

wobei der Ausgang (d) der Vorspannungssteuereinheit (40) an einen Widerstand (R₁₁) der Spannungsanpassungseinheit (10) angeschlossen ist
und die Bezugsspannungsquelle (50) mittels einer Zenerdiode (Z_D1) und einer Mehrzahl von Widerständen (Rl, R2, R3, R4) aufgebaut ist.

2. Batterieladegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsanpassungseinheit (10) einen Transistor (Ql) aufweist, über dessen Kollektor-Emitter-Strecke der Ladestrom (I_CB) fließt, so daß sein Kollektor

an die Gleichstromquelle (V₀₀) angeschlossen ist und sein Emitter den Ausgang (a) der Spannungsanpassungseinheit (10) darstellt,

und dessen Basis über einen Widerstand an den Eingang (b) der Spannungsanpassungseinheit (10) sowie an den einen Anschluß einer Zenerdiode (Z_D2) angeschlossen ist, deren anderer Anschluß mit dem Ausgang (d) der Vorspannungssteuereinheit (40) sowie dessen Widerstand (R&ldquor;) verbunden ist,

und wobei die Vorspannungssteuereinheit (40) in Abhängigkeit von ihrer Ansteuerung durch den zweiten Vergleicher (30) ihren Ausgang (d) erdet oder auf ihn über einen Vorwiderstand den Pluspol der Gleichstromquelle (V₀₀) wirken läßt.

3. Ladeanlage zur Aufladung mehrerer Batterien auf der Basis des Ladegeräts nach Ansprüchen 1 und/oder 2, gekennzeichnet durch eine der Anzahl der zu ladenden Batterien entsprechende Anzahl von die jeweilige Hochstromladephase zeitlich aufeinanderfolgend bewirkenden, jeweils einen Ladekreis (A, B, C) bildenden Ladegeräten, wobei der Ausgang des zweiten Vergleichers (30a) des ersten, vorgeordneten Ladekreises (A) über jeweils eine Diode und einen Strombegrenzungswiderstand auf die invertierenden Eingänge der ersten Vergleicher (20b, 20c) der nachgeordneten Ladekreise wirkt und jeder Strombegrenzungswiderstand der nachgeordneten Kreise außerdem an eine weitere Diode angeschlossen ist, die an den Ausgang des zweiten Vergleichers (30b) des unmittelbar vorgeordneten Kreises angeschlossen ist.