NO841777L - Batterilader - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en batterilader med mateklemmer for strømmatning fra en vekselstrømkilde, f.eks. et vekselstrømnettverk eller en vekselstrømgenerator, nemlig en første mateklemme forbundet med en positiv batteripolklemme og minst to andre mateklemmer som hver er tilsluttet en transformatorvikling og, over en tyristor som gjør tjeneste som likeretter og strømventil, er forbundet med en negativ batteripolklemme, mens styreporten for hver tyristor er tilsluttet en styrekrets innkoblet mellom batteripolklemmene for styring av ladeprosessen i samsvar med klemmespenningen på et tilsluttet batteri.

En sådan batterilader er tidligere kjent fra US-patent-skrift nr. 3.857.082 (utførelsen i henhold til fig. 4). Det er herunder en fordel at tyristorenes anoder er koblet til den negative batteripolklemme, da styrespenningen for tyristorene da kan utledes direkte fra batterispenningen uten mellomkobling av f.eks. en oscillator eller triggerkrets. Som kjent kan sådanne oscillatorer frembringe høy-frekvensforstyrrelser og er således ikke egnet.

Tidligere kjente automatisk drevne batteriladere er nor-malt utført på sådan måte at de under ladning av et tilkoblet batteri frembringer en hovedsakelig konstant lade-strøm, som slås av når batteriets klemmespenning når en forut bestemt verdi hovedsakelig tilsvarende et fullstendig oppladet batteri. Mange batteriladere er videre utstyrt med manuelt styrte omkoblere for forbikobling av det automatisk drevne utstyr, således at høyere ladestrøm kan oppnås.

Bakgrunnen for foreliggende oppfinnelse er et ønske om å automatisk tilpasse ladestrømmen til batteriets ladetil-stand under ladeprosessen, med det formål ikke å avvike for meget fra den ideelle 1adestrømkurve som foreligger for et hvert gitt batteri. Hovedformålet for foreliggende oppfinnelse er således å oppnå en styreanordning for en batterilader av ovenfor angitt art, og som tillater automatisk omkobling av ladestrømmen under ladeprosessen. Videre bør en sådan anordning ha ytterligere beskyttelse-funksjoner, således som beskyttelse mot overladning, overoppvarming, oppladning til for høy spenning, kortslutning, sviktende batteri, ikke tilsluttede batteriklemmer og feilaktig polkobling av batteriet.

I henhold til oppfinnelsen oppnås hovedformålet ved en batterilader ved de særtrekk som er angitt i krav 1. Ytterligere hensiktsmessige trekk er angitt i underkrav-ene.

Ved å holde et varierende antall tyristorer ledende i samsvar med den foreliggende spenning mellom klemmene på det tilsluttede batteri, kan ladestrømmen innstilles enkelt og effektivt i samsvar med de foreliggende forhold. Ved omkobling kan man prinsippielt veksle mellom en ledende underkrets som frembringer en viss strømverdi og en eller flere andre underkretser som gir en annen strømverdi. Denne omkobling kan også omfatte en forandring i antallet ledende underkretser, hvilket vil si en økning eller reduksjon av antallet ledende tyristorer. Ved ladning av et sulfatert batteri kan det f.eks. være fordelaktig inn-ledningsvis når batteripolspenningen er meget lav, å holde strømverdien på et meget lavt nivå under en viss tidsperi-ode som er nødvendig for å gjenopplive batteriet, mens deretter en vesentlig høyere ladestrøm anvendes for å oppnå den ønskede oppladning, og i den avsluttende ladefase når batteriet er nesten fullstendig oppladet, atter en lav strømverdi anvendes for å forhindre gassutvikling. Til slutt må ladestrømmen slås helt av når en maksimal klemmespenning eller en fullstendig oppladning er oppnådd for batteriet.

Ved en særlig enkel utførelse anvendes bare to tyristorer, således at rask oppladning oppnås ved innkobling av begge tyristorer når det tilsluttede batteri ennå ikke har kommet i nærheten av sin fullstendig oppladede tilstand, mens normal ladning finner sted ved hjelp av bare en av tyristorene under det avsluttende stadium av ladeprosessen eller når kompenserende ladning utføres.

Denne sistnevnte enkle utførelse i henhold til oppfinnelsen vil bli nærmere beskreven nedenfor under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser et koblingsskjerna for batteriladerens elektriske kretser, Fig. 2 viser et spenningsdiagram som anskueliggjør arbeidsfunksjonen for batteriladerens koblingsinnretning, og Fig. 3 viser et diagram som anskueliggjør omkoblingen mellom forskjellige strømverdier under ladeprosessen.

De elektriske kretser i den viste batterilader i henhold til fig. 1 omfatter en transformator TR(til venstre i figuren) for effekttilførsel, og som fortrinnsvis er av toroidkjernetype og har en sikring SAl i sin primærkrets. I det viste eksempel er transformatoren TR utstyrt med to sekundærviklinger, Sl og S2, som utgjør hver sin halvpart av sekundærsiden av transformatoren TR og har en felles mateklemme A2, som er tilslutten den positive batteripolklemme Bl (til høyre i figuren) for batteriladeren over en sikring SA2. De øvrige mateklemmer henholdsvis Al og A3 på sekundærviklingene Sl og S2 er koblet til katoden for hver sin tilsvarende tyristor, henholdsvis TYl og TY2, hvis anoder samlet er tilsluttet den negative batteripolklemme B2 for batteriladeren. Tyristoren TYl er koblet til batteripolklemmen B2 over en motstand FR (med lav mot-standsverdi), hvis arbeidsfunksjon vil bli nærmere for-klart nedenfor.

De øvrige kretskomponenter i figuren utgjør en styrekrets som arbeider i samsvar med spenningen mellom batteripolklemmene Bl og B2 for å styre tyristorenes ledende tilstand, for derved å oppnå en varierende ladestrøm til det tilsluttede batteri B.

Mellom klemmene Bl og B2 er tre parallelle nettverk innkoblet over sikringen SA2, nemlig et første nettverk R27, D7, LED4 for anvisning av et feilaktig tilkoblet batteri (med omvendt polaritet), et annet nettverk Dl, R2, R3, R4, R5, D2 for deling av det tilsluttede batteris klemmespenning, samt et tredje nettverk Dl, Ri, T3, Z, D8, D9, D2 for å frembringe en mate- og referansespenning for styre-kretsens aktive komponenter.

Det første nettverk består av en motstand R27, en diode D7 som er ledende fra minuspolklemmen B2 til plusspolklemmen Bl, og en lysdiode LED4. Den sistnevnte vil lyse opp når batteriet er feilaktig innkoblet, hvilket vil si når batteriets plusspol er tilkoblet minuspolklemmen B2 og minuspolen er tilsluttet plusspolklemmen Bl. I et sådant tilfelle vil dioden Dl blokkere strømmatningen til de øvrige nettverk, og tyristorene TYl og TY2 slås derfor ikke på og ingen ladestrøm vil flyte i ladekretsene.

Det annen nettverk utgjøres av en spenningsdeler med fire motstander R2, R3, R4 og R5 koblet i serie, hvor sammen-koblingspunktet Pl mellom R3 og R4 er tilsluttet styreinngangen El for en første operasjonforsterker OPI over et RC-nettverk T6, Cl, mens koblingspunktet P2 mellom R2 og R3 er tilsluttet styreinngangen E2 for en annen operasjonsforsterker 0P2 over et RC-nettverk R7, C2. Motstanden R5 er en termistor som danner en overhetningsbeskyt-tele ved i vesentlig grad å øke sin motstand når den opp-varmes over en viss temperatur, hvorved koblingspunktene Pl og P2 får et så høyt potensial at begge operasjonsforsterkere OPI, 0P2 vil blokkere de tilsvarende tyristorer,

henholdsvis TYl og TY2.

Det tredje nettverk er et matenettverk som er temperatur-og spenningsstabilisert og omfatter en transistor T3, hvis emitter mater de styrekretser som er tilkoblet tyristorenes styreinnganger, en motstand Ri koblet mellom kollektor og basis for transistoren T3, en Zener-diode Z koblet til basis for transistoren T3, samt diodene D8 og D9 som er koblet i serie med Zener-dioden. Emitteren for transistoren T3 er videre forbundet med to seriekoblede motstander VRI og R28, og en referansespenning oppnås fra poten-siometeret VRI og påtrykkes referanseinngangene Fl og F2 for hver sin av de to operasjonsforsterkere OPI, 0P2 over et felles koblingspunkt F.

Hver operasjonsforsterker OPI og 0P2 arbeider som en Schmitt-trigger og er på sin utgangsside tilkoblet basis for hver sin tilordene transistor, henholdsvis Tl og T2. Disse transistorer strømmates fra en operasjonsforsterker 0P3 og er på sin utgangsside forbundet med styreporten for hver sin tyristor TYl og TY2 over en motstand, henholdsvis R21 og R23, og en diode, henholdsvis D4 og D3, samt en lysdiode, henholdsvis LED2 og LED3, som angir at vedkommende tyristor er slått på.

Strøm tilføres de to transistorer Tl og T2 forutsatt at spenningstapet over motstanden FR som er koblet i serie med tyristoren TYl ikke overskrider den forut bestemte grenseverdi. Denne motstan FR utgjøres av en kobberfolie-sløyfe som er utformet direkte på vedkommende trykte kretskort ved etsning og således har en meget lav motstand (omtrent 0,01^/V). Spenningsfallet over motstanden FR av-føles av inngangene for operasjonsforsterkeren 0P3, og når spenningsfallet overskrider nevnte grenseverdi, avsluttes strømmatningen av transistoren Tl og T2, således at begge tyristorer TYl og TY2 slås av. Anordningen fungerer da som er overbelastningsbeskytter, således at ladningen av- brytes i det tilfellet strømmen overskrider en kritisk verdi.

Kretsen inneholder enda en annen operasjonsforsterker 0P4, hvis styrte inngang E4 er koblet til utgangene for operasjonsforsterkerne OPI og 0P2 på sådan måte at operasjonsforsterkeren 0P4 avgir et utgangssignal og derved bringer en lysdiode LEDI til å lyse når kompenseringsladningen av det tilsluttede batteri er innledet.

De fire operasjonsforsterkere OPI, 0P2, 0P3 og 0P4 mottar alle sin drivspenning fra transistoren T3, således at et korrekt poltilkoblet batteri B er en betingelse for akti-vering av styrekretsen og for at en ladestrøm skal kunne flyte gjennom den ene eller begge tyristorer TYl og TY2.

Fig. 2 viser hvorledes spenningene på inngangene for operasjonsforsterkerne OPI og 0P2 vil variere med økende klemmespenning på det tilsluttede batteri. Operasjonsforsterkerne er innstilt slik at potensialet på hver utgang blir lav (og gjør den tilsvarende transistor, henholdsvis Tl og T2, ledende) når spenningen på styreinngangen, henholdsvis U , og , ligger under spenningen på refe-ranseinngangen Up. Denne betingelse oppfylles innenfor et positivt spenningsintervall fra omkring 3,5V til 14,3V, henholdsvis 14,5V. Også av denne grunn må således et batteri være tilkoblet for å slå på tyristorene TYl og TY2. Opptil en klemmespenning på 14,3V trigges begge tyristorer TYl og TY2. En spenning på omtrent 5A flyter da gjennom hver tyristor, og hvis ingen strøm avledes under ladningen, oppnås en ladestrøm på omkring 10A gjennom batteriet. Når batterispenningen når nivået på 14,3V vil en av operasjonsforsterkerne 0P2 opphøre å frembringe et utgangssignal, og bare en av tyristorene TYl vil da fortsette å være trigget over sin tilsvarende operasjonsforsterker OPI og transistoren Tl. En automatisk omkobling fra rask oppladning ved omtrent 10A til normal oppladning med omtrent

5A finner da sted, når batteriet nærmer seg sin fullstendig oppladde tilstand, hovedsakelig i samsvar med batteriets ideelle ladekurve.

I det avsluttende stadium følger ladestrømmen en prosess i samsvar med fig. 3, som angir ladestrømmen som en funksjon av batteriets klemmespenning. Når klemmespenningen 14,3V er nådd, og tyristoren TY2 ikke lenger er trigget, ned-settes strømmen til halvparten av verdien, hvorved batteriets klemmespenning som en følge av kjemiske prosesser i blybatteriets celler momentant synker til omkring 13,5V. Likevel trigges ikke tyristoren TY2 på nytt,på grunn av det forhold at omkoblingsnivået er lavere enn 13,5V, nemlig omtrent 13,IV. Hvis en øket strøm trekkes ut etter nevnte omkobling, avtar imidlertid klemmespenningen til den sistnevnte verdi, hvorpå laderen vender tilbake til rask ladning med omtrent 10A, slik som angitt ved stiplede linjer til venstre i figur 3.

Etter at tyristoren TYl er slått av og klemmespenningen har avtatt, fortsetter den gjenværende tyristor TYl å avgi en ladestrøm på omtren 5A inntil klemmespenningen har øket til 14,5V, og ved denne spenningsverdi vil i samsvar med figurene 2 og 3 også tyristoren TYl opphøre å være trigget av operasjonsforsterkeren OPI og transistoren Tl, således at ladestrømmen momentant avtar til 0 og klemmespenningen atter reduseres. I den avsluttende fase av ladeprosessen følger strømmen en lukket hysteresekurve, slik som angitt i fig. 3. Hvis batteriet er koblet til en forbruker, oppnås en stor fordel ved det forhold at batteriladningen ut-føres ved høy strøm opptil 10A, samtidig som gassutvikling unngås i den avsluttende del av ladeprosessen. Det er også mulig å anvende batteriladeren for kompenserende ladning, og i dette tilfelle følges den nedre lukkede ladekurve i fig. 3.

Mange modifikasjoner kan utføres av fagfolk på område innenfor rammen av det etterfølgende krav 1.

Claims (12)

1. Batterilader med mateklemmer for strø mmatning fra en vekselspenningskile, nemlig en første mateklemme (A2) forbundet med en positiv batteripolklemme (Bl) og minst to andre mateklemmer (Al, A3) som hver er tilsluttet transformatorvikling (Sl, S2) og, over en tyristor (TYl, TY2) som gjør tjeneste som likeretter og strømventil, er forbundet med en negativ batteripolklemme (B2), mens styreporten for hver tyristor er tilsluttet en styrekrets (OPI, Tl, 0P2, T2) innkoblet mellom batteripolklemmene for styring av ladeprosessen i samsvar med klemmespenningen på et tilsluttet batteri, karaterisert ved at styrekretsen er innrettet for å holde forskjellige tyristorer (TYl, TY2) ledende eller slått av i samsvar med batteriets klemmespenning, således at forskjellige ladestrøm-verdier oppnås under forskjellige stadier av ladeprosessen (fig. 3).

2. Batterilader som angitt i krav 1, karakterisert ved at styrekretsen er innrettet for å forandre antall ledende tyristorer når batteriets klemmespenning passerer en terskelverdi.

3. Batterilader som angitt i krav 2, karakterisert ved at styrekretsen er innrettet for å slå av minst en tyristor når batteriets klemmespenning når nevnte terskelverdi.

4. Batterilader som angitt i krav 1-3, karakterisert ved at styrekretsen omfatter et motstandsnettverk (R2, R3, R4, R5) innkoblet mellom batteriklemmene (Bl, B2) og som gjør tjeneste som spenningsdeler, mens forskjellige sammenkoblingspunkter (Pl, P2) mellom tilstøtende motstander hver er tilkoblet en tilordnet triggerkrets (henholdsvis OPI, Tl og 0P2, T2) på sådan måte at hver triggerkrets holder den tilordnede tyristor (TYl, TY2) ledende når det tilordnede sammenkob-lingspunkt ligger innenfor et visst spenningsområde (fig.

2) .

5. Batterilader som angitt i krav 4, karakterisert ved at en blokkeringsdiode (Dl) er koblet i serie med nevnte motstandsnettverk og at et nettverk (R27, D7, LED4) for å anvise feilaktig polkobling er koblet i parallell mellom batteriets polklemmer og omfatter en diode (D7) som er ledende fra minuspolklemmen til plusspolklemmen samt et anvisningselement (LED4).

6. Batterilader som angitt i krav 4 eller 5, karakterisert ved at nevnte triggerkretser drives av en matekrets (T3, Ri, Z, D8, D9) som aktiveres av en laveste spenning tilsvarende en korrekt polkoblet batter, samt er innrettet for også å avgi en referansespenning (over VRI) til triggerkretsene (henholdsvis OPI, Tl og 0P2).

7. Batterilader som angitt i krav 6, karakterisert ved at hver triggerkrets omfatter en Schmitt-trigger, f.eks. en operasjonsforsterker (OPI, 0P2) med en første inngang (Fl, F2) som påtrykkes nevnte referansespenning, samt en annen inngang (El, E2) som påtrykkes spenningen i det tilordnede sammenkoblings-punkt (Pl, P2) i nevnte spenningsdeler (R2, R4, Re, R5).

8. Batterilader som angitt i krav 7, karakterisert ved at hver Schmitt-trigger (OPI, 0P2) på sin utgangsside er tilsluttet en tilordet tyristorport over en transistor (Tl, T2).

9. Batterilader som angitt i krav 6-8, karakterisert ved at en motstand som er seriekoblet med en av tyristorene, er tilsluttet nevnte matekrets T3, DP3) på sådan måte at ved påvisning av en forut bestemt spenning over nevnte motstand og tilsvarende en største tillatt strøm gjennom tilsvarende tyristor (TYl), minst en av de tilsvarende triggerkretser eller fortrinns alle sådanne kretser aktiveres.

10. Batterilader som angitt i krav 9, karakterisert ved at nevnte motstand ut-gjøres av en foliemotstand (FR).

11. Batterilader som angitt i krav 4 - 10, karakterisert ved at en av motstandene i spenningsdelerens motstandsnettverk utgjø res av en termistor (R5) og tjener som beskyttelse mot overoppvarming.

12. Batterilader som angitt i krav 1 - 11, karakterisert ved at styrekretsen er innrettet for å slå av alle tyristorer (TYl, TY2) ved påvisning av en polklemmespenning på batteriet som overskrider en forut bestemt maksimalverdi (fig. 3).