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Die Erfindung beruht auf der Basis
der Resonanztechnik und dient zum Wiederaufladen von in Reihe verschalteten
Akkumulatoren/Zellen bei gleichzeitigem Angleichen ihrer maximalen
Kapazität.
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Es ist bekannt, daß Geräte mit enormen
Aufwand zum reinen Ausgleich von Batterieblöcken im stationären Einsatz
existieren.
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Ausgehend von dem Stand der Technik
liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Ladegerät inklusive
Ladeausgleich bei maximaler Effizienz und kompakten, kleinen Aufbau
zu realisieren.
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Diese Aufgabe wird in der Erfindung
dadurch gelöst,
daß ein
einziger Trafo zum Laden wie zum Ausgleichen benutzt wird. Durch
die Wicklungsauslegung, so wie durch das Benutzen einer besonderen Hf. – Litze,
die eine Verarbeitung ohne Lagenisolation ermöglicht, ergibt sich eine hohe
Kopplung.
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Diese ermöglicht es, einen Trafo zu verwenden,
der durch seine Eigenschaften eine gleichmäßige Spannungsabgabe bei bis
zu 20 voneinander potentialfreien getrennten Einzelspannungen bereitstellt.
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Somit können Zellen bzw. Blöcke a 2,4
V, 7,2 V und z.B. 14,4 V. geladen werden. Weitere Zell/Blockspannungen
sind jederzeit realisierbar.
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Damit erfüllt die Erfindung aus Anwendersicht
einen großen
Wunsch. Dem Speichersystem kann auf diese Weise ohne Schädigung durch Überladungen/Tiefentladungen
ein Maximum an Energie zugeführt
und entnommen werden.
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Bei diesem System ist eine Regelung,
oder Überwachung,
der einzelnen Spannungen nicht notwendig.
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Die Erkennung zur Volladung kann
hier über die
Gesamtspannung erfolgen. Somit sind aufwendige Einzelregler zum
Steuern der Strom/Spannungsanpassung nicht notwendig, was dazu führt, das
diese Erfindung nur geringer Störanfälligkeit
ausgesetzt wird. Auch das Ausgleichsladen während des Betriebs wird von
der Gesamtsystemspannung gesteuert. Hier wird lediglich ein Leistungsanpassung
gem. der zur Verfügung
stehen Systemspannung durchgeführt.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung
sind in den Unteransprüchen
dargelegt.
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Der Ausgleichslader ermöglicht das
korrekte Laden ab 2 Zellen oder 2 Blöcken die in Reihe zur Erhöhung der
Spannung geschaltet sind. Die Anzahl der Zellen /Blöcke die
geladen werden, sind durch Kaskadierung des Ausgleichslader nach
oben nicht begrenzt.
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Das Verfahren kommt typischerweise
in Blei-Speichersystemen zum Einsatz, kann aber ebenso mit Erfolg
bei Ni-Cd, Ni-Mh oder auch Li-Ion Systemen eingesetzt werden. Eine
eindeutige Verbesserung der Zyklenzahl und der Energieabgabe ist nachweislich
der Fall.
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Durch diese Erfindung ist es möglich alle
Zellen oder Blöcke
die am Ausgleichslader verschaltet sind ab Beginn des Ladeprozesses
am Ausgleich teilhaben zu lassen.
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So werden auch bereits bei Teilladung
im Vorfeld und nicht nur gegen Ende, alle Akkus auf ein gleiches
Kapazitätsniveau
gebracht.
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Die eingesetzte Resonanztechnik hat
bei der Entwicklung zwei bedeutende technische Einflüsse auf
das Verfahren.
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Damit ist es möglich, gerade am Einphasennetz
ohne zusätzlichen
technischen Aufwand, das Maximum an Energie über einen Trafo potentialfrei von
der Primärseite
zur Sekundärseite
zu transformieren.
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1. Grundschaltung (Eingang
des Wandlers)
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1 zeigt
die angewandte Resonanztechnik in Halb-Brückenschaltung mit den Resonanzelementen
L und C, sowie die Gleichrichtung der Eingangsspannung und die dadurch
netzabhängige selbstregelnde
sinusförmige
Stromführung.
Des weiteren die Schalter S1, über
die, die Systemspannung bei Ausgleich aus der selben der Primärseite zugefuhrt
wird.
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Bild 1 als Anlage:
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Technische Beschreibung
des Ablaufes.
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Die Netzspannung wird über eine
Siebdrossel geführt
und dann an den Wechselspannungsanschlüssen des Gleichrichters angelegt.
Je nach Leistungsauslegung des Laders erfolgt eine Glättung der Gleichspannung
von einigen wenigen μF
um eine messbare und auswertfähige
Gleichspannung zu erhalten. Diese Spannung wird dann zu den Leistungsschaltern
(Mosfet Transistoren) geführt,
welche potentialfrei über
einen Übertrager
angesteuert werden. Wie schon erwähnt wird der Resonanzkreis
durch L und C gebildet.
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Die Spannung an C ist zu Beginn 0
Volt. Schaltet nun T1. ein, entsteht eine Strom-Sinushalbschwingung über T1,
L, Tr, und C. Der Kondensator wird während dieser Zeit aufgeladen,
von 0 Volt auf U Eingang. Wenn diese Halbschwingung abgeschlossen
ist, wird T1 aus und T2 unmittelbar danach eingeschaltet und es
ergibt sich nun eine Halbschwingung in umgekehrter Richtung, in
der, der Kondensator C wieder entladen wird.
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Bei jeder Schwingung wird eine bestimmte Energiemenge
von der Primärseite
auf die Sekundärseite
transformiert. Die Regelung derselben erfolgt mit konstanter Pulslänge und
variabler Frequenz.
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Diese Schaltung in ZCS-Resonanz ermöglicht ein
fast verlustloses Schalten der Leistungshalbleiter, da im Stromnulidurchgang
geschaltet wird. Somit ist auch eine verminderte Funkstörung das
Ergebnis.
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Die je Halbschwingung übertragene
Leistung hängt
von der richtigen Wahl von L und C ab. Je größer C und je kleiner L für eine gewählte Resonanzfrequenz
ist, desto größer wird
die Energie, die je Halbschwingung übertragen werden kann.
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Wobei C durch mehrere kleine Kondensatoren
in Parallelschaltung gebildet wird. Damit findet bei großen Leistungen
eine Entlastung der einzelnen Bauteile statt und die Betriebssicherheit
wird um ein mehrfaches erhöht.
Zur guten Kopplung der Primär- und
Sekundärwicklungen
wird ein besonders Isolierte Hf. –Litze benutzt, welche keine
Lagenisolierung zwischen den Wicklungen benötigt. Daraus ergibt sich eine
Verbesserung der Kopplung um den Faktor 2 und ein erhöhtes Platzangebot
im Wickelraum um bis zu 25%.
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2. Grundschaltung
mit Sekundärausgang
für mehrere
Gleichspannungen
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2 zeigt
den sekundärseitigen
Ausgang für
6 Akkus
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Bild 2 als Anlage:
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Da beim Laden so wie beim Ausgleichsladen unterschiedliche
Spannungen je nach Akku-Ladezustand und somit unterschiedlich hohe
Ströme
zum Zusammenführen
der Einzelkapazität
notwendig sind, wird in dieser Schaltungstechnik die benutzte Halb-Brücken Übertragung
so beeinflußt,
daß dieser eine
Verhalten wie beim Sperrwandler bekannt, annimmt.
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Beim Entladen, der Akkus, werden
nach Entnahme einer Kapazitätsmenge
von z.B.: 20% und Feststellung einer Spannungsabweichung der Zellen,
oder Akkus untereinander die Schalter S1. geschlossen. Nun kann
mit der angelegten Systemspannung eine Anpassung der Unterschiedlichen Kapazitäten der
Zellen/-Akkus erfolgen.
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Der Ausgleich finden nur so lange
statt, wie eine Belastung des Systems durch einen Verbraucher gegeben
ist. Dadurch wird das System nur minimal zusätzlich belastet.
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Der erfolgte Spannungsausgleich d.h.
Stütze eines
schwachen Elementes erfolgt somit sehr effektiv.
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Wie beim Ladevorgang bekommt der
Akku/ oder die Zelle mit der niedrigsten Spannung den höchsten Strom
zugewiesen.
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Je nach Bedarf und Einsatzgebiet
kann über die
analoge Steuerung selbstverständlich
eine Anpassung des gewünschten
Ausgleichs vom Benutzer in gewissem Umfang selbst eingestellt werden.
Dabei werden nicht effiziente Vorgaben durch die digitale Überwachung
nicht an die Leistungselektronik übermittelt, wobei so ein Ausgleich
nur bei selbst erkannter effizienter Nutzung freigegeben wird.
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Durch den spezifischen Wicklungsaufbau des
verwendeten Trafos und des zu berechnenden Luftspaltes ermöglicht der Übertrager
stets die größte Energie
in den Akku zu senden welcher zur Zeit die geringste Kapazität aufweist.
Um die Anzahl der Windungen und der Ausgangsgleichrichter gering
zu halten, wird auf der Ausgangsseite bei mehr als 5 zu ladenden
Akkus mit der Zweiweggieichrichtung in Mittelpunktschaltung gearbeitet.
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Bei kleinerer Anzahl oder bei stationärem Einsatz
wird die Brückengleichrichtung
zum Einsatz gebracht.
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Um die Dioden möglichst gering zu belasten wird
die Hf.-Spannung nach der Gleichrichtung durch Schottky Dioden über die
Ausgangsdrossel L geführt, eine
Glättung
der selben erfolgt durch mehrere parallel geschaltete Kondensatoren
kleiner Impedanz.
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Insgesamt hat dieser Wandler einige
bemerkenswerte Vorteile gegenüber
traditionellen Schaltnetzteilen.
- – Der ZCS
Halb-Brückenwandler
in Resonanztechnik ermöglicht
wie der Sperrwandler mehrere Ausgangsspannungen die wie parallelgeschaltet erscheinen
und somit die größte Energie
immer in die niedrigste Ausgangsspannung fließt.
- – Geringe
Schaltverluste und Funkstörungen.
- – Leerlauf-
und Kurzschlußfestigkeit
funktionieren ohne elektrische Überwachung.
- – Der
Wirkungsgrad ist größer 95 %.
- – Er
ermöglicht
einen Ladeausgleich bis auf +/– 1%
der Akkukapazität.
- – Alle
zum jetzigen Zeitpunkt bekannten Akkutypen sind damit ladbar, untereinander
angleichbar und während
des Entladens ausgleichbar.
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3 zeigt
ein Diagramm mit und ohne Ausgleichsladen
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Bild 3 als Anlage:
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Diese Auswertung wurde mit dem vorhandenen
Prototypen ermittelt welcher zur Zeit in einem Elektromobil seine
Alltagstauglichkeit unter Beweis stellt.
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Mit diesem System können Anwendungen wesentlich
sicherer und langlebiger ihre Dienste verrichten. Die Anwendungen
erstrecken sich über USV-Anlagen,
Solare-Inselsysteme, Stützung
der Netzspannung, Elektrofahrzeuge, Satelittenanlagen, Notrufsysteme
und Militärfahrzeuge
z.B.: U-Boote.
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Die Ladeenergie kann sowohl aus dem
Einphasennetz, wie auch aus dem Drehstromnetz entnommen werden.
Eine Speisung aus Wind- oder Photovoltaikanlagen ist genau so möglich wie
mit der Rekupationsenergie eines Antriebsmotors.
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Durch Tests des Prototypen wurde
bereits der Nachweis erbracht, daß die durchschnittliche Ladeenergie
um bis zu 15 % verringert wurde, die entnehmbare Kapazität des Gesamtsystems
aber gleichzeitig um 20 % höher
lag, als bei Ladegeräten die
nicht in Resonanz und ohne Ausgleich von Blöcken/Zellen arbeiten.
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Des weiteren besitzt der Ausgleichslader eine
potentialfreie Schnittstelle für
eine direkte Anzeige aller zu ladenden Blöcke/Zellen
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Als Spannungslupe ausgeführt, können über eine
Barkraftanzeige bzw. LCD-Display
jederzeit Spannungsschritte von 0,4 Volt abgelesen werden die somit
dem Anwender die Wirksamkeit des Ausgleichvorgangs demonstrieren.
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Über
diese Schnittstelle wird auch der Bord Controller mit Daten versorgt.
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In Verwendung zur Überwachung
und Ergänzung
der analogen Steuerung dienen diese Daten zur Aktivierung eines
lernfähigen
Programms, womit dann in die Steuerung eingegrtffen wird, wenn sich
widersprüchliche
Abläufe
der eingestellten Lade- und Entladekurve aus der analogen Ablaufsteuerung
ergeben.
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4 Programm
Fluß zur Überwachung
der analogen Steuereinheit.
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Bild 4 als Anlage.
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Der integrierte Langzeitdatenspeicher
verarbeitet und vergleicht die Daten über Monate und ermittelt so
die Wirksamkeit der Anwendung.
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Über
das selbstlernende Programm wird unter anderem das altersbedingte
sich verändernde
Ladeverhalten des/der Akkus ermittelt und korrigiert. Mittels ein
oder mehreren Temperaturfühler
wird sowohl der maximale Ladestrom sowie die Ladeentspannung angepasst.
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Als Besonderheit für Elektrofahrzeuge
und deren Fahrer kann der Lader den jeweiligen Ladezustand per Funk
an den Betreiber bis zu 300m Entfernung übermitteln.