SE432328B - Krets for aterladdning av battericeller - Google Patents

Description

7902748-8 underhållsladdningsmod. p Uppfinningen syftar vidare till erbjudande av en batte- riladdningskrets enligt ovan, vilken inkluderar organ för för- hindrande av återgång till den snabba laddningsmoden sedan ett batteri till fullo har uppladdats.

Ett annat syftemål för uppfinningen är erbjudande av en batteriladdningskrets som kan återladda ett batteri i en snabb- uppladdningsmod och därefter bibehålla det vid full laddning genom påläggning av en underhållsuppladdning.

Andra syften och fördelar av uppfinningen kommer att framgå av den återstående delen av föreliggande beskrivning.

I den amerikanska patentskriften 3 599 072 beskrives en batteriuppladdningskrets som snabbladdar tills ett batteri upp- när full laddning. Vid denna punkt verkar en spole ansluten tvärs över batteriet för manövrering av en tungomkopplare för ändring av laddningshastigheten till underhållsladdning. Perio- diskt kan emellertid en RC-tidställningskrets och en dubbelbas- diod framkalla återgång av kretsen tillbaka till den snabba laddningsmoden. Den snabba laddningsmoden pålägges periodiskt under allt kortare perioder när batteriet uppnår full laddning.

Den amerikanska patentskriften 3 518 524 beskriver en batteri- laddningskrets som utnyttjar en temperaturkänslig kontakt för omkoppling från den snabba laddningsmoden till underhållsladd- ningsmoden när batterierna blir till fullo laddade. Laddnings- kretsen återgår till den snabba laddningsmoden varje gång bat- terierna kallnar tillräckligt för att sluta den temperaturkäns- liga kontakten. Sålunda pendlar kretsen mellan den snabba ladd- ningsmoden och underhållsladdningsmoden. Den amerikanska patent- skriften 3 465 230 beskriver en batteriladdningskrets som ut- nyttjar en diod ansluten tvärs över batterierna, vilken diod börjar leda när batterierna uppnår full laddning. En termisk omkopplare i kontakt med díoden omkopplar kretsen från snabb laddning till underhâllsladdning. Ett motstånd parallellt med den termiska omkopplaren bibehåller den senare i öppet till- stånd för förhindrande av återgång till snabbladdningshastig- heten. Enligt en annan känd batteriladdningskrets, som liknar den sistnämnda kretsen, öppnar en termostatisk omkopplare när batteriet når full laddning och bibehålles omkopplaren i öppet 7902748-8 läge genom värme från ett motstånd.

På de bifogade ritningarna visar fig. l en batteriladdningskrets enligt en första utfö- ringsform av uppfinningen, fig. 2 en batteriladdningskrets enligt en andra utfö- ringsform av uppfinningen, fig. 3 en krets enligt en tredje utföringsform av upp- finningen, och fig. 4 ett vågformsdiagram som underlättar förståelsen av kretsen enligt uppfinningen.

I fig. l visas en första utföringsform av uppfinningen.

Kretsen kan för underlättande av diskussionen lämpligen uppde- las i tre sektioner. Dessa sektioner innefattar en strömkälla 10, en underhållsladdningssektion 12 och en snabbladdningssektion 14.

Kretsen är avsedd att pålägga laddningsström till battericellerna som schematiskt visas vid 16.

Dessa celler är företrädesvis av nickel-kadmiumtyp, vil- ka kan laddas med olika hastigheter. Sålunda kan de snabbladdas tills de uppnår full laddning och sedan underhållsladdas under en obegränsad tidsperiod. Karakteristiskt för sådana celler är att det förekommer en betydande temperaturhöjning när cellerna uppnår full laddning. Om snabbladdningen ej snabbt avslutas när temperaturen höjts kommer cellerna snabbt att förstöras. Sålunda är temperaturhöjningen i cellerna en signal som kan utnyttjas för omkoppling till en underhållsladdningsström.

Kretsen i fig. l erbjuder två banor eller kretsar från strömkällan l0 till cellerna 16. Den första banan går genom un- derhållsladdningssektionen 12. Den andra banan går genom snabb- laddningssektionen 14 och en termostat 18.

Termostaten 18 är ansluten för detektering av en tempe- raturhöjning i cellerna 16 när dessa uppnår full laddning, vil- ket indikeras av de streckade linjerna. När cellerna uppvärms öppnas termostaten, varigenom strömflödet till cellerna genom snabbladdningssektionen avbrytes tills cellerna kyls ned. Termo- staten l8 kommer att stänga när cellerna kyls och i frånvaro av föreliggande uppfinning skulle snabbladdningen återinträda. En sådan pendlande drift av snabbladdningssektionen är icke önsk- värd eftersom den upprepade gånger överladdar cellerna för 7902748-8 alstrande av en temperaturhöjning. Detta undvikes genom förelig- gande uppfinning.

Spänningskällan som används för laddning av battericel- lerna alstrar en helvågslikriktad spänning Vc, som illustreras såsom vågformen 20 i fig. 4. Strömkällan innefattar en transfor- mator T1 och ett par dioder Dl och D2. Växelspänningen från nä- tet pâlägges transformatorns Tl primärsida, medan dioderna Dl och D2 är anslutna till transformatorns sekundärsida i och för alstrande av den helvågslikriktade spänningen Vc på terminalen 22.

Transformatorns Tl mittuttag är anslutet till battericellernas 16 negativa terminal via en ledning 24. Vid amerikansk hushâllsström av standardtyp är spänningens frekvens 60 Hz. För detta fall har spänningsvågformen noll genomgångar på ett tidsavstånd av 8,3 msek.

Den likriktade spänningen pålägges från terminalen 22 både underhållsladdningssektionen 12 och snabbladdningssektio- nen 14. Underhållsladdningssektionen innefattar ett motstånd R1 som begränsar strömmen till battericellerna 16 till en säker nivå som ständigt kan pâläggas utan risk för skada. När snabb- laddningssektionen 14 är ur funktion pålägger underhâllsladd- ningssektionen 12 underhållsströmmen genom motståndet Rl till batteriets positiva terminal 26. En lysdiod D3 och ett därmed associerat förspänningsmotstånd R2 är kopplade parallellt med motståndet R1. När dioden D3 lyser indikerar detta för använda- ren att cellerna 16 underhållsladdas och att sålunda batteri- cellerna är i huvudsak fulladdade och klara för användning.

I snabbladdningssektionen 14 finns en styrd kiseldiod 28 anordnad, vilken diod uppvisar sedvanliga anslutningar såsom anod, katod och styrelektrod. Den styrda kiseldiodens anod är ansluten till terminalen 22, medan katoden är ansluten till cellernas positiva terminal 26 via termostaten 18. Kiseldiodens styrelektrod är ansluten till en förbindelsepunkt 30 via ett motstånd.R3. Mellan förbindelsepunkten 30 och ledningen 24 är en kondensator Cl ansluten och prallellt därmed är ett motstånd R4 anslutet. En omkopplare S1 och en diod D4 förbinder termina- len 22 med förbindelsepunkten 30.

Såsom inses av fackmannen erbjuder den styrda kiseldio- den 28 i ledande tillstånd en direkt laddningsbana från ström- 7902748-8 källan 10 till battericellerna 16. Denna bana avbrytes när ter- mostaten l8 öppnar då cellerna uppnår fullt laddningstillstând.

De till förbindelsepunkten 30 anslutna elementen tjänar till att styra driften av den styrda kiseldioden tills termostaten l8 öppnar och att förhindra verkan av kiseldioden sedan termosta- ten 18 öppnats. Denna aspekt av uppfinningen framgår av följande beskrivning av kretsens verkningssätt.

När man önskar starta driften av laddningskretsen place- ras cellerna l6 i kretsen och intryckes omkopplaren Sl momen- tant. Detta pålägger spänningen Vc, som illustreras i Fig. 3, till förbindelsepunkten 30. Kondensatorn Cl laddas snabbt upp till och hålles vid approximativt maximala värdet av Vc genom dioden D4. Spänningen Vc pålägges även kiseldiodens anod, medan batterispänningen Vb föreligger på kiseldiodens katod. Eftersom batteriet till en början är urladdat kommer Vb att vara mycket mindre än det maximala värdet på Vc. När det momentana värdet av Vc som pålägges kideldiodens anod överskrider batterispän- ningen Vb på katoden kommer kondensatorn Cl att urladdas genom motståndet R3, vilket alstrat ett strömflöde in i den styrda kideldiodens styrelektrod. Detta bringar kiseldioden i ledande tillstånd varigenom en direkt laddningsbana till battericellerna uppkommer. När den styrda kiseldioden bringas in i det ledande tillståndet är spänningen vid grinden eller styret genom kisel- diodens övergångar låst till en spänning som är något mindre än Vc. Detta förhållande gör det möjligt för ström att flyta ut ur kiseldiodens grind genom motståndet R3 tillbaka till förbin- delsepunkten 30 i och för uppladdning av kondensatorn Cl. Detta förhållande förbereder kretsen för nästa driftscykel. Den styr- da kiseldioden slutar leda när spänningen Vc underskrider spän- ningen Vb. Laddningen återinträder så fort som spänningen Vc på anoden överskrider batterispänningen på katoden, eftersom kon- densatorn Cl har en lagrad laddning som är något mindre än Vc- -max., som är det värde som ursprungligen lagrades när omkopp- laren Sl nedtrycktes.

Snabbladdningscykeln upprepas med ett tidsavstând på 8,3 msek. (vid nätfrekvensen 60 Hz) tills battericellerna är nästan fulladdade. När det fulladdade tillståndet uppnås upp- värms battericellerna och öppnar därigenom termostaten 18, . 7902748-8 vilket bryter laddningsbanan genom snabbladdningssektionen.

Såsom nämnts tidigare kommer termostaten att stänga när cellerna avkyls. Det är emellertid önskvärt att förhindra återinförande av snabbladdningen, och följaktligen är organ an- ordnade för deaktivering av den styrda kiseldioden under den period när termostaten är öppen. Avtappningsmotståndet R4 är anslutet mellan terminalen 30 och ledningen 24 och möjliggör urladdning av Cl under den tidsperiod när termostaten är öppen.

För förhindrande av urladdning under snabbladdningscykeln är värdet av kondensatorn Cl och av motståndet R4 valda för bildan- de av en RC-tidskonstant som är mycket större än den 8,3 msek. långa driftscykeln. Såsom icke begränsande exempel nämns att RC-tidskonstanten för kondensatorn Cl och motståndet R4 kan vara av storleksordningen 100 gånger större än spänningsvåg- formens period (8,3 msek.).

Sedan kondensatorn Cl har urladdats genom motståndet R4 kommer den styrda kiseldioden ej att leda förrän omkopplaren Sl åter nedtryckts av användaren, och detta oberoende av termosta- tens tillstånd. När snabbladdningssektionen sålunda deaktive- rats pålägger underhållsladdningssektionen en minimal ström till batteriet genom motståndet Rl för bibehållande av celler- na i det fulladdade tillståndet. Därvid lyser även ljusdioden.

Vågformen 32 i fig. 3 illustrerar spänningen såsom den ter sig vid terminalen 26 under snabbladdningen av batteriet.

När den styrda kiseldioden är frånslagen ligger batterispän- ningen vid värdet Vb. När den styrda kiseldioden slås på, så- som vid punkten 34, ökar spänningen vid terminalen 26 i propor- tion till spänningen Vc, varigenom batteriet laddas till punkten 36 där kiseldioden stängs av.

Fig. 2 visar en andra utföringsform av uppfinningen. För enkelhets skull har de komponenter som är identiska med den första utföringsformen försetts med samma hänvisningsbeteck- ningar, varför dessa element ej närmare kommer att beskrivas utom när så är nödvändigt för förståelse av den andra utförings- formen. Såsom i den första utföringsformen innefattar kretsen en strömkälla 10, en underhållsladdningssektion 12 och en snabb- laddningssektion 14. Skillnaden mellan utföringsformerna i fig. l och 2 finns i snabbladdningssektionen 14. 7902748-8 I denna utföringsform är förbindelsepunkten 30 ansluten till strömkällan via motståndet Rl och dioden D4. Till skill- nad från den första utföringsformen initierar den andra utfö- ringsformen snabbladdningen så snart som battericellerna 16 pla- ceras i laddningskretsen.

Innan cellerna 16 placeras i laddningskretsen laddas kon- densatorn Cl genom motståndet Rl och dioden D4 upp till en spän- ning approximativt lika med transformatorns Tl maximala spän- ning Vco vid öppen krets. När batteriet placeras i kretsen med laddaren faller spänningen på anoden av dioden D4 till appro- ximativt Vb. Detta backspänner dioden D4 eftersom diodens anod kommer att befinna sig vid en lägre spänning än katoden, som är ansluten till kondensatorn Cl. Såsom ett resultat härav är dioden D4 i praktiken avlägsnad ur kretsen under snabbladd- ningscykeln.

Såsom tidigare kommer, när laddningsspänningen Vc ökar, anoden av den styrda kiseldioden 28 att bli mera positiv än katoden, som är ansluten till batteriet. Eftersom kondensa- torn Cl är uppladdad, kommer kiseldioden att slås på och starta den i samband med fig. 1 tidigare beskrivna laddningssekvensen.

Laddningen fortskrider tills termostaten l8 öppnar, vid vilken punkt kondensatorn Cl komer att börja urladdas genom motstån- det R4. När Cl börjar urladdas framspännes återigen dioden D4 och hindrar den sålunda kondensatorn Cl från att fullständigt urladdas. Cl urladdas emellertid till värdet av batterispän- ningen vb minus framspänningsfallet av dioden (approximativt 0,7 volt). Denna grad av kondensatorurladdning är tillräcklig för förhindrande av påslagning av kiseldioden när termostaten stänger. Såsom vid utföringsformen enligt fig. l kommer, när termostaten 18 öppnar för att indikera full laddning, konden- satorn att urladdas tillräckligt för att förhindra ytterligare snabbladdning när termostaten stänger på grund av att batteri- cellerna avkyls. I Sedan snabbladdningscykeln avslutats pålägger underhålls- laddningssektionen en underhållsladdning till cellerna och lyser lysdioden för att indikera full laddning.

Sedan termostaten 18 har öppnat och kondensatorn Cl del- vis har urladdats genom motståndet R4 kan snabbladdningen ej '7992748-8 återaktiveras förrän cellerna 16 avlägsnats från kretsen så att Cl åter kan uppladdas till värdet Vco för den öppna kretsen, vilket värde är större än batterispänningen Vb.

I fig. 3 visas en tredje utföringsform av uppfinningen.

Denna utföringsform är i huvudsak densamma som utföringsformen enligt fig. l och de komponenter som är identiska med den första utföringsformen har försetts med samma hänvisningsbeteckningar och kommer ej att ytterligare beskrivas, såvida detta ej är nödvändigt för förståelse av den tredje utföringsformen. Såsom vid den första utföringsformen innefattar kretsen en spännings- källa l0, en underhållsladdningssektion 12 och en snabbladdnings- sektion l4.

Skillnaden mellan den tredje utföringsformen och den första utföringsformen ligger i att laddningsströmbanan i den tredje utföringsformen ej innefattar termostaten 18. Sålunda går laddningsströmbanan direkt från strömkällan genom snabb- _ laddningssektionen till battericellen. Termostaten 18 är an- sluten mellan en förbindelsepunkt 40 och batteriets 42 negativa terminal, medan den styrda kiseldiodens 28 katod är ansluten direkt till batteriets 16 positiva terminal.

När termostaten verkar i denna utföringsform avbryter den strömflödet till kiseldiodens styrkrets snarare än att den bryter kretsen från strömkällan till battericellens positiva terminal såsom i den första utföringsformen. Såsom kommer att beskrivas nedan är resultatet detsama, men termostaten omkopp- lar väsentligt mindre ström än i den första utföringsformen.

Ett potentiellt problem i den första utföringsformen är alltför tidig öppning av termostaten på grund av självuppvärmning. I den utföringsformen är strömmen genom termostaten vanligen av storleksordningen 2 ampere. I utföringsformen enligt fig. 3 är strömmen genom termostaten av storleksordningen några milli- ampere. Sålunda är möjligheten av alltför tidig öppning på grund av självuppvärmning i huvudsak eliminerad. Fackmannen inser att en liknande modifiering om så önskas kan utföras på utförings- formen enligt fig. 2 i och för avlägsnande av termostaten från laddningsbanan.

Vid drift börjar utföringsformen enligt fig. 3 laddnings- cykeln när omkopplaren Sl momentant slutes, vilket laddar kon- 7902748-8 densatorn Cl till en spänning som överskrider tröskelspänningen för den styrda kiseldioden 28. Battericellen 16 mottager ström från strömkällan 10 genom snabbladdningssektionen 14. Då batteri- cellerna uppnår full laddning detekterar termostaten värmen i dessa och öppnar, vilket bortkopplar grinddelen av snabbladd- ningskretsen. Den styrda kiseldioden kommer då att stänga av på grund av att kondensatorn Cl ej kommer att vara i stånd att tillföra ström via motståndet R3 för att åter sätta på kisel- dioden beroende på den öppna kretsen. Avtappningsmotståndet R4 kommer att urladda kondensatorn Cl medan termostaten är öppen i och för förhindrande av reaktivering av kiseldioden när ter- mostaten 18 stänger.

Såsom vid de tidigare utföringsformerna väljes värdena av motståndet R4 och kondensator Cl för bildande av en RC-tids- konstant som är en storleksordning större än driftscykeln på 8,3 millisekunder vid 60 Hz spänning. Sedan kondensatorn Cl har urladdats genom motståndet R4 kommer den styrda kiseldioden att förbli frånslagen och cellerna 16 att underhållsladdas oberoende av termostatens tillstånd ända tills omkopplaren Sl åter intryckes.

Fördelarna hos laddningskretsarna enligt föreliggande upp- finning innefattar förmågan att säkert och effektivt ladda bat- tericeller under utnyttjande av ett minimalt antal komponenter.

Speciellt vid utföringsformen enligt fig. 2 är kretsen enkel och billig och erfordrar kretsen ej någon annan manövrering av användaren än införing av battericellerna i kretsen. Riktig om- koppling mellan snabbladdningssektionen och underhållsladdnings- sektionen säkerställes genom förhindrande av att kondensatorn Cl uppladdas tillräckligt för igângsättning av den styrda kisel- dioden förrän battericellerna avlägsnats från kretsen. På lik- nande sätt är den första och tredje utföringsformen båda enkla, billiga och erbjuder dessa utföringsformer direkt användarkontroll av laddningscykeln.

Fastän uppfinningen beskrivits i detalj ovan under hän- visning till specifika utföringsexempel av densamma inses att uppfinningen på många sätt kan modifieras och att uppfinningen endast begränsas av de bifogade patentkraven.

Claims (7)

1. 7902743-s 10 PATENTKRAV l. Krets för âterladdning av battericeller, innefattande terminaler för anslutning av kretsen till en strömkälla, k ä n n e t e c k n a d av en snabbladdningssektion i kretsen mellan terminalerna och battericellerna i och för laddning av cellerna vid en maximal hastighet, varvid snabbladdningssek- tionen innefattar en styrd likriktare med en styrelektrod full- ständigande en kretsbana från källan till battericellerna, organ för aktivering av likriktaren under en del av varje halv- cykel från strömkällan, vilket organ innefattar en kondensator ansluten till styrelektroden samt ett initieringsorgan för laddning av kondensatorn till en spänning tillräcklig för alstring av en ström som överskrider likriktarens styrtröskel, organ för temporärt avbrytande av kretsen från strömkällan genom snabbladdningssektionen när cellerna uppnår full laddning, varvid det avbrytande organet innefattar en normalt sluten termostat i termiskt förhållande med cellerna, varvid termosta- ten öppnar på grund av värmealstring från cellerna när dessa uppnår full laddning, organ för deaktivering av snabbladdnings- sektionen vid drift av det avbrytande organet i och för för- hindrande av ytterligare laddning vid nämnda maximala hastig- het.

2. Krets enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av en underhållsladdningssektion i kretsen mellan källan och batteri- cellerna i och för laddning av cellerna vid en minimal hastig- het när snabbladdningssektionen ej är i drift.

3.' Krets enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att strömkällan är helvågslikriktad.

4. Krets enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att det deaktiverande organet innefattar ett motstånd genom vilket nämnda kondensator urladdas under driften av det avbrytande organet, varvid motståndets och kondensatorns RC-tidskonstant med åtminstone en storleksordning är större än strömkällans period.

5. Krets enligt krav l, k ä n n e t e c k n a d av att initieringsorganet innefattar en diod ansluten för möjliggö- rande av strömflöde från strömkällan till kondensatorn i och 7902748 -8 ll för fastlåsning av kondensatorn vid approximativt den maximala spänning som alstras av strömkällan, samt en switch i kretsen med nämnda diod i och för selektiv laddning av kondensatorn.

6. Krets enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av att underhållsladdningssektionen innefattar ett motstånd i serie mellan strömkällan och cellerna i och för reducering av den ström som pålägges av underhâllsladdningssektionen till ett minimalt värde.

7. Krets enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att underhållsladdningssektionen innefattar en ljusemitterande diod i och för indikering av full laddning av cellerna.