FI67000C - Kopplingsanordning foer laddning av ett aoteruppladdningsbart batteri - Google Patents

Description

r , KOULUTUSJULKAISU ^ 7 π π n

JgTf lBJ (11) utlAggningsskaift 6/000

VjSi' 3 3 (51) KvJk./btcCL H 02 J 7/10 SUOMI—FINLAND pi) νμμμ«μμμ« 782329 (22) H«k*ml»pihfi—Amekningrtag 26.07.78 (23) AlkupUvft—Glltlghmdig 26.07.78 (41) Tullut JulklMlcsl — Blhrtt eVmtlg 27.01 .79 P>tantti. j· rekisterlhalltai· N«htMWW j. famt***..

Patent· och ragisteratyralaan ' * AmMcm utlagd od» utljkrNtan puMfcand 31.08.84 (32)(33)(31) PyydKty «cuoikau»—8«glrd prior*#* 26.07.77

Saksan Liittotasavalta-Förbundsrepubliken Tyskland(DE) P 273359^.0 (71) International Standard Electric Corporation, 320 Park Avenue,

New York, New York 10022, USA(US) (72) Hans-Dietrich Girle, Altena, Rolf Reuber, Altena, Saksan Li ittotasavalta-Förbundsrepubliken Tyskland(DE) (Ik) Oy Koister Ab (54) Kytkentäjärjestely uudelleen ladattavissa olevan pariston lataamiseksi - Koppiingsanordning för laddning av ett ateruppladdningsbart batteri

Keksinnön kohteena on kytkentäjärjestely uudelleen ladattavissa olevan pariston lataamiseksi, jossa on latausvirran kulkutietä syöttävä tasajännitelähde, latausvirran kulkutielle järjestetty vastus latausvirran rajoittamiseksi ja samoin latausvirran kulkutielle järjestetty ohjattava pitkittäistransistori, johon on kytketty rinnan ohminen latauksensäilvtyshaara, edelleen pariston kanssa rinnan järjestetty, säädettävästä jakohaarasta ja perushaarasta koostuva jännitejakaja ja raja-arvolaite, joka on liitetty jännitejakajan välioton valvontasisäänmenoon ja jota ohjaa tämän välioton jännite ja joka puolestaan sulkee pitkittäis-transistorin, kun välioton jännite ylittää raja-arvolaitteen yläraja-arvon U^, ja ohjaa transistorin johtavaksi, kun välioton jännite alittaa alaraja-arvon U^.

Ennestään tunnetussa DE-hakemusjulkaisussa 2 524 790 esitetyssä kytkentäjärjestelyssä uudelleen ladattavissa olevan pariston lataamiseksi on latausvirran kulkutiellä latausvirtaa rajoittava vastus, kytkettävä pitkittäistransistori, johon on latauksen- 2 67000 säilytyshaaraksi kytketty rinnan vastus, ja vuosuunnassa navoi-tettu diodi. Tämän diodin ja pariston sarjakytkentään rinnan kytketyn jännitejakajan väliottoon on liitetty raja-arvolaite ala-ja yläraja-arvoineen. Saavutettaessa pariston maksimaalinen lataus jännite sulkee tunnetun kytkennän raja-arvolaite yläraja-arvon ylittämisen vuoksi pitkittäistransistorin. Tämä kytketään kuitenkin vasta sitten uudelleen johtavaksi, kun jännitejakajan väliotossa alitetaan raja-arvolaitteen alaraja-arvo. Jos ainoastaan osittain tyhjentynyt uudelleen ladattavissa oleva paristo liitetään tähän latausjärjestelyyn uudelleen ladattavaksi, se ei raja-arvolaitteen alaraja-arvon alittamatta jäämisen vuoksi tavallisesti saa suurta latausvirtaa ja jää edelleen ainoastaan osittain ladattuun tilaan.

US-patenttijulkaisun 3 553 561 kohteena on samoin kytkentäjärjestely uudelleen ladattavissa olevan pariston lataamiseksi. Julkaisun mukaisesti pariston latausvirran kulkutietä syötetään vaihtovirtalähteestä. Latausvirran kulkutie sisältää tyristorin, jota käytetään latausvirtakytkimenä ja samanaikaisesti puoliaal-totasasuuntaimena. Rinnan lataustyristorin kanssa on järjestetty latauksensäilytys. Ni-Cd-kennojen pikalataukseen ei kuitenkaan sovellu lataus vaihtovirtalähteestä tulevilla puoliaaltovirta-sykävksillä, koska kennojen sykäyksittäinen kuormitus alentaa huomattavasti Ni-Cd-paristojen kestoikää. Rinnan uudelleen ladattavan pariston kanssa on tässä julkaisussa esitetyssä julkaisussa vastuksista muodostettu jännitejakaja, jonka väliottoon on liitetty zenerdiodilla, siihen kuuluvalla vastuksella ja lataustyris-toria ohjaavalla toisella tyristorilla varustetun raja-arvolaitteen sisäänmeno. Lisäksi tähän raja-arvolaitteeseen kuuluu tasa-jännitelähde ja sen syöttämä lyhennystransistori, joka lyhentää jännitejakajan ohittamalla vastuksen. Tämän lyhennystransistorin avulla muodostetaan latauskytkennässä raja-arvolaitteen kummankin raja-arvon hystereesi, joissa raja-arvoissa tämä vaihtaa toiseen kytkentätilaan, jossa täten vaihdon jälkeen kulloinkin jännite-jakajan väliottopiste muuttuu toiseen paikkaan.Tämä tunnettu kytkentäjärjestely on tarkoitettu puskurikäyttöön lataussykäykset kestäviä uudelleen ladattavissa olevia paristoja varten, jotka ovat jatkuvasti liitettynä tähän järjestelyyn. Tunnettu järjestely ei sovellu tyhjentyneiden ja uudelleen ladattavien paristojen jatkuvaan uudelleen liittämiseen, koska järjestely ei osittain 67000 tyhjentynyttä paristoa liitettäessä vaihdu latauskäytön tilaan, vaan pysyy latauksensäilytystilassa, jossa ei virtaa tarpeeksi virtaa pariston lataamiseksi.

Tämä US-patenttijulkaisusta tunnettu järjestely sisältää tosin kytkimen avulla kytkettävän, uudelleen ladattavan pariston kanssa rinnan olevan jännitejakajan lyhennyshaaran. Lyhennys-haaran kytkentätransistori on tunnetussa järjestelyssä kuitenkin liitetty lataustyristoria ohjaavan raja-arvolaitteen ulostuloon ja sen tulee täten aiheuttaa hystereesi tämän raja-arvokytkimen kahden eri raja-arvon muodostamiseksi.

Mainitun laatuisia kytkentäjärjestelyjä käytetään erityisesti uudelleen ladattavissa olevien paristojen lataamiseksi, joita on esim. kannettavissa sähkölaitteissa ja jotka näissä laitteissa huolehtivat niiden sähkön saannista. Tätä tarkoitusta varten on sellaiset kytkentäjärjestelyt uudelleen ladattavissa olevien paristojen lataamiseksi rakennettu ns. latauslaitteisiin tai suurempi lukumäärä sellaisia kytkentälaitteita latauslait-teistoihin, jossa on useampia latauskohtia. Lataamista varten voidaan paristot ottaa ulos kannettavan laitteen paristokotelos-ta ja asettaa latauslaitteen liitäntälaitteeseen. On kuitenkin myös tunnettua asettaa kannettaviin sähkölaitteisiin pistokela-laitteita, joiden kautta laitteeseen sisältyvät paristot voidaan ladata uudelleen, ja asettaa nämä laitteet niiden paristojen uudelleen lataamista varten kantoihin, joissa on latauslaitteen vastinpistokelaitteet.

Monissa tapauksissa pitää kannettavia, uudelleen ladattavissa olevilla paristoilla toimivien sähkölaitteiden olla sangen lyhyessä ajassa uudelleen käyttövalmiita ja pysyä valmiina ei välittömästi tapahtuvaan uudelleen käyttöön täysin varatussa tilassa. Näiden laitteiden paristot ladataan ensi sijassa ns. pika-latauksella. Tässä yhteydessä yllä pidetään paristojen varaus jatkuvasti kulkevalla latauksen säilyttämisvirralla. Koska uudelleen ladattavissa olevissa paristoissa on korkea varauskapasiteetti pienessä tilassa ja koska ne ovat erityisen herkkiä ylilataukselle, asetetaan erityisesti pikalataukselle korkeat vaatimukset maksimi varausarvojen huomioonottamisen suhteen. Nämä korkeat vaatimukset voidaan täyttää vain uudelleen ladattavissa olevien paristojen lataamiseen tarkoitetuissa kytkentäjärjestelyissä, joissa on automaattiset varauksenvalvontakytkennät.

4 67000

Saksalaisesta kuulutusjulkaisusta 2 255 894 on tunnettu alussa ilmoitetun tyyppinen kytkentäjärjestely uudelleen ladattavissa olevien paristojen lataamiseksi/ missä latausvirran kulkutiellä on latausvirtaa rajoittava vastus, kytkettävissä oleva pitkittäistran-sistori ja virran kulkusuuntaan oleva diodi. Rinnan diodin ja pariston sarjakytkennän kanssa olevaan jännitteenjakajaan on yhdistetty raja-arvolaite ala- ja yläraja-arvoineen. Kun saavutetaan pariston maksimilatausjännite, sulkee tunnetun kytkennän raja-arvo-laite yläraja-arvon ylityksen vuoksi pitkittäistransistorin. Jännit-teenjakajan kanssa rinnan oleva kondensaattori purkautuu tämän kautta, kunnes raja-arvolaitteen alaraja-arvo alitetaan, jolloin pitkit-täistransistori kytketään jälleen johtavaksi. Ensimmäisen täyteen latauksen jälkeen ylläpitää paristo niin ollen jatkuvia jälkilataus-virtasysäyksiä pariston täyden varauksen yllä pitämiseksi. Hyvin suurilla pikalatausvirroilla, jotka olennaisesti ylittävät normaalin latausvirran, esim. ylittävät olennaisesti kymmentuntisen purkaus-virran, ei tämä latauksen säilytysmenetelmä ole enää omiaan, koska siinä tapauksessa ilmenee uudelleen ladattavissa olevien paristojen hyvin nopea loppuun kuluminen tai pikainen tuhoutuminen.

Keksinnön perustana olevan tehtävän muodostaa sellaisen kytkentäjärjestelyn tekeminen uudelleen ladattavissa olevien paristojen lataamiseksi, joka järjestely soveltuu hyvin korkeille lataus-virroille, kymmentuntisten purkausvirtojen suuruusluokkaan ja pi-kalataukseen liittyvän jatkuvan, paristoille haitattoman varauksen yllä pidon mahdollistaminen.

Tämä tehtävä ratkaistaan alussa mainittua tyyppiä olevalla kytkentäjärjestelyllä siten, että ensiksi jännitejakajan perushaa-raan on kytketty rinnan lyhennyshaara, joka koostuu vastuksesta ja kytkimestä ja jonka vastus on mitoitettu jännitejakajän jako-haaraan nähden siten, että kytkimen johtavassa tilassa jännite-jakajan väliottoon asettuu jännite joka on aina pienempi kuin raja-arvolaitteen alaraja-arvo Us2» myös silloin kun latausvirran kulkutiellä ei ole paristoa, että toiseksi rinnan pariston muodostaman latausvirran kulkutien osan kanssa on järjestetty toinen ra-ja-arvokytkin, jonka raja-arvojännite Ug3 on suurempi kuin paristo-jännite U_ = . jolla pitkittäistransistorin sulkee tätä ohjaava raja-arvolaite ja että kolmanneksi toisen raja-arvokytkimen ohjaus-tulon ja lyhennyshaaran kytkimen ohjaussisäänmenon väliin on liitetty kytkemisen hidastuslaite, jonka katkaisuhidastus, t^., on suu- 5 67000 rempi kuin jännitejakajassa olevan jännitteen vaimennusaika, tA, vlittömästi pariston latausvirran kulkutiehen liittämisen jälkeen.

Keksinnön toimenpiteiden avulla saavutetaan edullisella tavalla erityisesti se, että jokainen latauslaitteeseen asetettu paristo ensi sijassa liitetään vain kerran tapahtuvaan pikalataus-operaatioon. Pikalatausvirta voidaan asettaa riippumattomaksi sallitusta jälkilatausvirrasta tai latauksen säilytysvirrasta suurimmalle sallitulle latausvirralle. Siten on uudelleen ladattavissa oleva paristo mitä lyhyimmässä ajassa jälleen käyttövalmis ja pidetään sopivassa pikalatausvirtaan verrattuna moninkertaisesti pienemmällä latauksen ylläpitovirralla kuinka pitkän ajan tahansa täysin varatussa tilassa käyttövalmiina.

Keksinnön edulliset kehitysmuodot muodostuvat siitä, että lyhennyshaarassa oleva kytkin on transistori ja/tai että toinen raja-arvokytkin on virtarajoitettu zener-diodi.

Kytkemisen hidastuslaite on edullisessa kehitysmuodossa kondensaattori, jossa on lataus- ja purkausvastus. Raja-arvolaite voidaan muodostaa esim. Schmitt-Triggeristä, jossa on vastaavasti suureksi säädetty hystereesi tai komparaattorista, johon sopivasti mitoitetun takaisinkytkennän avulla on aseteltu suuri hystereesi.

Keksintö selitetään tarkemmin joidenkin toteutusesimerkkien avulla. Oheisessa piirustuksessa esittää kuvio 1 kytkentää uudelleen ladattavissa olevien paristojen lataamiseksi kaaviollisena lohkoesityksenä, kuvio 2 kaksi jännitekäyrää kuviossa 1 esitetylle kytkentäjärjestelylle , kuvio 3 lisätoteutusesimerkkiä kytkentäjärjestelystä uudelleen ladattavissa olevan pariston lataamiseksi.

Kuviossa 1 lohkokaaviokuvana kaaviollisesti esitetty järjestely uudelleen ladattavissa olevan pariston 1 lataamiseksi sisältää piirustuksessa paksulla viivalla esitetyn latausvirran kulkutien 2, jota syötetään tasajännitelähteestä 3 ja transistorilait-teen 5 pitkittäistransistorin 4, latausvirtaa rajoittavan vastuksen 6 ja kaksi liitintä 7 ja 8 uudelleen ladattavissa olevan pariston liittämiseksi latausvirran kulkutiehen. Rinnan pitkittäistransistorin 4 kanssa on varauksen ylläpitohaara 9, jossa on vastus 10. Pariston liitin 7 ja 8 yli sijaitsee jännitteenjakaja, jonka perus-haara muodostuu vastuksesta 11 ja jonka jakohaara muodostuu säädettävästä vastuksesta 12. Jännitteenjakajan väliottoon 13 on liitetty, raja-arvolaitteen 15, jonka yläraja-arvo on U ^ ja alaraja-arvo US2' valvontasisäänmeno jännitteen valvomiseksi. Raja-arvo- 6 67000 laitteen ulostulo on yhdistetty pitkittäistransistorin sisältävän transistorilaitteen ohjaussisäänmenoon. Rinnan jännitteenjakajan 11/12 kanssa on raja-arvokytkin 17, joka ohjaa kytkimen 13 kytkennän hidastuslaitteen kautta rinnan jännitteenjakajan perushaaran 11 kanssa olevaa lyhennyshaaraa. Kytkimen 19 vieressä on lyhennys-haarassa vastus 20.

Kuviossa 1 esitetyn kytkentäjärjestelyn toimintatapa selitetään kuvion 2 käyrien a ja b avulla. Käyrällä a on esitetty jännitteenjakajan 11/12 väliotossa 13 vaikuttava jännite kytkentä järjestelyn eri käyttöolosuhteissa, käyrällä b siihen liittyvä latausvirran kulkutien 2 liittimen 7 jännite Uy. Molempien käyrien aikavälillä A ei latauslaitteen liittimien 7 ja 8 väliin ole liitetty mitään paristoa, niin että latausvirran kulkutien on tässä kohden avoin. Latauksen ylläpitohaaran 9 kautta pääsee lähes täysi latausvirran kulkutietä syöttävän tasajännitelähteen 3 tasajännite Uq liittimeen 7. Tämä jännite on olennaisesti korkeampi kuin raja-arvo kytkimen 17 jänniteraja-arvo Ug^/ joka sen vuoksi synnyttää ulostuloonsa 2. signaalin, joka sulkee lyhennyshaarassa olevan kytkimen 19 ja kytkee jännitteenjakajan 11/12 perushaaran 11 rinnalle lyhennyshaaran vastuksen 20. Lyhennyshaaran vastus 20 on siten mitoitettu, että huolimatta korkeasta, jännitteenjakajassa olevasta jännitteestä UQ jännitteenjakajan välioton 13 jännite on pienempi kuin raja-arvolaitteen 15 jännitteen ajaraja-arvo Ug2 Raja-arvojärjestely tuottaa siten ulostuloonsa 16 signaalin, joka ohjaa latausvirran kulkutiellä olevan pitkittäistransistorin 4 johtavaksi.

Ajanhetkenä yhdistetään liittämiin 7 ja 8 osittain purkautunut uudelleen ladattavissa oleva paristo 1. Siihen liittyvä aikaväli B on esitetty suuresti laajennettuna. Liittimessä 7 oleva jännite Uy laskee latausvirran kulkutien 2 purkautumisaikavakioiden mukaisesti latausvirran kulkutiellä olevan pariston 1 jännitteeseen, joka on loppuunpurkautumisjännitteen U ja paristolle pikalatauk-sessa sallitun maksimijännitteen välissä ja laskee samanaikaisesti raja-arvokytkimen 17, jonka ulostulo siten lakkaa, raja-arvon Ug^ alapuolelle. Kytkemisen hidastuslaite 18 hidastaa näiden signaalien yhdistymistä kytkimelle 19 hidastusajan t^, joka on suurempi kuin aika t^, jossa paristojännite laskee arvoon, joka on pariston jän- 7 67000 nitteen pikalataukseen sallitun maksimiarvon alapuolella, joka esim. ajanhetkellä t2 alitetaan. Hidastusajan t^ jälkeen kytketään lyhennyshaara irti jännitteenjakajan perushaarasta 11, niin että jännitteenjakaja 11/12 on toiminnassa yksin.

Aikavälillä C tapahtuu pariston 1 pikalataus. Molemmat jännitekäyrät ja kulkevat toisiinsa verrannollisina. Jännit- teenjakajan 11/12 väliotto on säädettävän jakohaaran 12 avulla niin asetettu, että välioton 13 jännite saavuttaa raja-arvolait-teen 15. Yläraja-arvon Ug^, kun pariston jännite saavuttaa pika-latauksen maksimijännitearvon UBmax· Tänä ajanhetkenä t^ siirtyy raja-arvolaite tilaan, jossa se pysyy alaraja-arvon Ug2 alittamiseen asti ja jossa se tuottaa pitkittäistransistorin 4 sulkevan ulostulosignaalin. Siitä lähtien (aikaväli D) kulkee latauksen yllä-pitohaaran 9 kautta latauksen ylläpitovirta, joka on vastuksen 10 avulla niin mitoitettu, että se korvaa pariston itsestään purkautumisen kautta tapahtuneet häviöt.

Kuviossa 3 esitetyssä latausjärjestelyn toteutusesimerkissä uudelleen ladattavissa olevia paristoja varten, joka suurin piirtein vastaa kuviossa 1 esitettyä toteutusesimerkkiä ja on tunnettu sitä vastaavista kytkentäelimistä, joilla on samat viitemerkit, on lähemmin esitetty raja-arvolaite 15, raja-arvokytkin 17, jossa on kytkemisen hidastuslaite 18 ja lyhennyshaaran kytkin. Raja-arvolaite sisältää komparaattorina toimivan operointivahvistimen, jonka yksi sisäänmeno on liitetty valvonta sisäänmenona 14 jännit-teenjakajan 11/12 väliottoon - samalla kun sen toinen sisäänmeno 23 on yhdistetty referenssitasajännitelähteeseen 24. Komparaattorin molemmat mystereesin muodostavat raja-arvot ja Ug2 tuotetaan referenssijännitelähteen 24 ja molempien takaisinkytkentävastusten 25 ja 26 avulla.

Raja-arvokytkin 17 jännitteen valvomista varten on zenerdiodi 27, jonka rajoitusvastukseen 28 syntyy ulostulosignaali siihenliittyvää kytkemisen hidastuslaitetta varten. Tämä sisältää kokoojakondensaattorin 29, joka on yhdistetty latausvastuksen 30 kautta kytkemisen hidastuslaitteen 18 ulostuloon ja purkausvastuksen 31 kautta transistorin 32 muodostaman, lyhennyshaaran kytkimen 20 kantaan zenerdiodin 27 zenerjännite osoittaa raja-arvoa Ug^ ja se on suurempi kuin pariston pikalatauksessa sallittu maksimiarvo U

Bmax

Claims (6)

8 67000

1. Kytkentäjärjestely uudelleen ladattavissa olevan pariston (1) lataamiseksi, jossa on latausvirran kulkutietä syöttävä tasajännitelähde (3), latausvirran kulkutielle järjestetty vastus (6) latausvirran rajoittamiseksi ja samoin latausvirran kulkutielle järjestetty ohjattava pitkittäistransistori (5), johon on kytketty rinnan ohminen latauksensäilytyshaara (9), edelleen pariston (1) kanssa rinnan järjestetty, säädettävästä jakohaarasta ja perushaa-raasta koostuva jännitejakaja (11,12) ja raja-arvolaite (15), joka on liitetty jännitejakajan (11,12) välioton (13) valvontasisään-menoon ja jota ohjaa tämän välioton (13) jännite ja joka puolestaan sulkee pitkittäistransistorin (5), kun välioton (13) jännite ylittää raja-arvolaitteen (15) yläraja-arvon(Us^), ja ohjaa transistorin johtavaksi, kun välioton (13) jännite alittaa alaraja-arvon (U^)/ tunnettu siitä, että ensiksi jännitejakajan (11,12) perushaaraan (11) on kytketty rinnan lyhennyshaara, joka koostuu vastuksesta (20) ja kytkimestä (19) ja jonka vastus on mitoitettu jännitejakajan jakohaaraan (12) nähden siten, että kytkimen (19) johtavassa tilassa jännitejakajan väliottoon (13) asettuu jännite (1^3) , joka on aina pienempi kuin ra ja-arvolaitteen alaraja-arvo (Us2)/ myös silloin kun latausvirran kulkutiellä (2) ei ole paristoa, että toiseksi rinnan pariston muodostaman latausvirran kulkutien osan kanssa on järjestetty toinen raja-arvokytkin (17) , jonka ra ja-arvo jännite (U ..) on suurempi kuin paristo jännite (UD ), jolla pitkittäistransistorin sulkee tätä ohjaava raja-arvolaite (15) ja että kolmanneksi toisen raja-arvokytkimen (17) ohjaus-tulon (21) ja lyhennyshaaran kytkimen ohjaussisäänmenon väliin on liitetty kytkemisen hidastuslaite (18), jonka katkaisuhidastus, ty, on suurempi kuin jännitejakajassa (11,12) olevan jännitteen (U?) vaimennusaika, tA, välittömästi pariston latausvirran kulkutiehen liittämisen jälkeen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kytkentäjärjestely, tunnettu siitä, että lyhennyshaarassa oleva kytkin (19) on transistori (32).

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen kytkentäjärjestely, tunnettu siitä, että toinen raja-arvokytkin (17) on virtarajoitettu zenerdiodi. 9 67000

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen kytkentäjärjestely , tunnettu siitä, että kytkemisenhidas-tuslaite (18) on kondensaattori (29), jossa on latausvastus (30) ja purkausvastus (31).

5. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen kytkentäjärjestely, tunnettu siitä, että pitkittäistransistoria ohjaava raja-arvolaite (15) on Schmitt-Triggeri, jossa on suureksi säädetty hystereesi.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen kytkentäjärjestely, tunnettu siitä, että pitkittäistransistoria ohjaava raja-arvolaite (15) on komparaattori (22), jossa on takaisinkytkentäjärjestely (25,26), joka on niin mitoitettu, että komparaattorissa on suuri hystereesi. 10 67000