DE2061294A1

DE2061294A1 - Circuit arrangement and method for charging batteries

Info

Publication number: DE2061294A1
Application number: DE19702061294
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl.-Ing. 8520 Erlangen. P H02p3-14 Kuttner
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1970-12-12
Filing date: 1970-12-12
Publication date: 1972-06-22
Also published as: DE2061294B2; JPS4712518A

Description

Schaltungsanordnung und Verfahren zur Ladung von Batterien Zur Ladung bzw. Wiederaufladung von Batterien, im besonderen Flugzeugbatterien, ist es üblich und bekannt, den erforderlichen Ladegleichstrom dem Wechsel- oder Drehstromnetz vermittels ungesteuerter Brückengleichrichter zu entnehmen. Bei der Schnelladung von Batterien, z.B. Nickelkadmiumsammlern bzw. Bleisammlern, müssen Ladestrom und Ladezeit der Batteriekapazität angepaßt werden. Bei zu hohem Ladestrom und/oder zu langer Ladezeit können oberladungen auftreten, die den Gebrauchswert der Batterie wesentlich beeinträchtigen. Von einem Ladegerät für diepohnelladung von Batterien muß überdies ein in weiten Grenzen kontinuierlich einstellbarer Ladestrombereich und ebenso ein in derselben Weise einstellbarer Gasungabereich verlangt werden, wobei weiterhin die klimatischen Bedingungen während der Ladezeit beachtet werden müssen, da die Gemperaturabhängigkeit der Gasungsspannung in Betracht gezonen und damit vermieden werden muß, daß die Batterie bei sehr hohen Temperaturen, etwa 70 00, überladen bzw. bei relativ 0 tiefen Temperaturen, z.B. minus 40 u zu wenig geladen wird.Circuit arrangement and method for charging batteries or recharging of batteries, in particular aircraft batteries, is common and known, the required DC charging current to the AC or three-phase network by means of uncontrolled bridge rectifiers. With fast charging of batteries, e.g. nickel cadmium collectors or lead collectors, must charge current and Charging time can be adapted to the battery capacity. If the charging current is too high and / or If the charging time is too long, overcharging can occur, which reduces the useful value of the battery significantly affect. From a charger for charging batteries must also have a charging current range that is continuously adjustable within wide limits and also a gassing range adjustable in the same way are required, whereby the climatic conditions during the charging time are still taken into account must, since the temperature dependence of the gassing voltage in consideration ge zones and so that it must be avoided that the battery at very high temperatures, about 70 00, overloaded or insufficiently charged at relatively low temperatures, e.g. minus 40 u will.

Bei solchen extremen klimatischen Verhältnissen hat es sich - wie Versuche ergeben haben - als zweckmäßig erwiesen, eine diskontinuierliche Ladung und Nachladung der Batterie anzuwenden und den Ladegleichstrom in einem engeren oder weiteren Bereich zu takten.With such extreme climatic conditions it was - how Tests have shown - proven to be useful, a discontinuous charge and recharge the battery and apply the charging direct current in a closer or to clock another area.

Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zur Ladung von Batterien, insbesondere Flugzeugbatterien, aus dem Wechsel- oder Drehstromnetz vermittels ungesteuerter Brückengleichrichter, und die Erfindung besteht darin, in den Ladestromkreis die Schaltstrecke eines steuerbaren Halbleiters zu schalten, der steuerseitig in Takten sowohl von einem Stromregler als auch von einem Spannungsregler, åe mit Zweipunktverhalten und vorgebbarem Sollwert, derart beeinflußt wird, daß der steuerbare Halbleiter aufgrund einer der Stromregelung überlagerten Spannungsregelung bis zur Gasungsspannung der Batterie ausschließlich vom Stromregler mit hoher Taktfrequenz und danach außerdem vom Spannungsregler mit niederer Taktfrequenz angesteuert wird.Accordingly, the invention relates to a circuit arrangement and a method of charging batteries, in particular Aircraft batteries, from the AC or three-phase network by means of uncontrolled bridge rectifiers, and the invention consists in the switching path of a controllable in the charging circuit To switch semiconductor, the control side in clocks both from a current regulator as well as from a voltage regulator, åe with two-point behavior and specifiable setpoint, is influenced in such a way that the controllable semiconductor due to one of the current regulation superimposed voltage regulation up to the gassing voltage of the battery exclusively from the current regulator with high clock frequency and then also from the voltage regulator lower clock frequency is controlled.

Auf weitere Merkmale der Erfindung sei bei der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels näher hingewiesen.Further features of the invention are noted in the following description an exemplary embodiment pointed out in more detail.

In der Fig. 1 ist eine Ladegleichrichteranordnung veranschaulicht, die sich aus dem Drehstromtransformator DT und den ungesteuerten Brückengleichrichtern G1 zusammensetzt. Die negative Ausgangsklemme des Gleichrichters ist mit 1, die positive Ausgangsklemme mit 2 bezeichnet. In üblicher Weise wäre hierbei die Ausgangsklemme 1 mit dem negativen Anschlußpol und die Ausgangsklemme 2 mit dem positiven Anschlußpol der Batterie B zu verbinden. Zur Realisierung des Erfindungsgedankens sind in die von der Klemme 2 zum Pluspol der Batterie B führende Leitung die Schalt strecke eines Transistors T und ein Fußpunktwiderstand W in Reihenschaltung einbezogen, wobei der Kollektor des Transistors T an die Klemme 2 angeschlossen und der Emitter des Transistors T über den Fußpunktwiderstand W mit dem positivem Pol der Batterie B verbunden ist. In die Leitung zwischen der Klemme 1 und dem negativen Batteriepol der Batterie 3, die geerdet h r; mit einem Messenanschlußpunkt des Flugzeuges verbunden win möge, ist eine Glättungsdrossel GD eingefügt.In Fig. 1, a charging rectifier arrangement is illustrated, consisting of the three-phase transformer DT and the uncontrolled bridge rectifiers G1 composed. The negative output terminal of the rectifier is connected to 1, the positive output terminal labeled 2. In the usual way this would be the output terminal 1 with the negative connection pole and the output terminal 2 with the positive connection pole to connect the battery B. To realize the idea of the invention are in the from terminal 2 to the positive terminal of battery B line leading to the switching distance of a transistor T and a base point resistor W included in series connection, where the collector of transistor T is connected to terminal 2 and the emitter of the transistor T via the base resistance W to the positive pole of the battery B is connected. In the line between terminal 1 and the negative battery pole the battery 3, which is grounded h r; connected to a measurement connection point of the aircraft win, a smoothing throttle GD is inserted.

Eine zum Schutz der Schaltstrecke des Transistors T vorgesehne sogenannte Preilaufdiode FD soll bei Verwendung eines npn-Transistors T anodenseitig mit dem Sternpunkt der Brückengleichrichteranordnung und kathodenseitig mit dem Emitter des Schalttransistors T verbunden sein.A so-called intended to protect the switching path of the transistor T Preilaufdiode FD should when using an npn transistor T on the anode side with the Star point of the bridge rectifier arrangement and on the cathode side with the emitter of the switching transistor T be connected.

Die Steuerelektrode (Basis) des Transistors T, welcher auch aus einem Thyristor bzw. aus einer Gruppe von Transistoren bzw. Thyristoren bestehen kann, ist an den Ausgang eines Verstärkers V angeschlossen, welcher eingangsseitig direkt vom Ausgang sowohl eines Stromreglers StR als auch mittelbar von dem Ausgang eines Spannungsreglers SpgR beeinflußt wird. Der Stromsollwert Isoll für den Stromregler StR und der Spannungssollwert U5011 für den Spannungsregler SpgR können den Reglern über die mit Pfeilen gekennzeichneten Eingänge eingegeben werden.The control electrode (base) of the transistor T, which also consists of a Thyristor or a group of transistors or thyristors, is connected to the output of an amplifier V, which on the input side is direct from the output of both a current regulator StR and indirectly from the output of a Voltage regulator SpgR is influenced. The current setpoint Isoll for the current controller StR and the voltage setpoint U5011 for the voltage regulator SpgR can be assigned to the regulators can be entered using the inputs marked with arrows.

Der Stromistwert Iist für den Stromregler StR wird zweckmäßig dem batterieseitigen Ende des Fußpunktwiderstandes W entnommen, während der Spannungsistwert Uist für den Spannungsregler SpgR vom masseseitigen Ende der Glättungsdrossel GD abgeleitet wird. Zur Berücksichtigung der Temperaturabhängigkeit der Gasungsspannung der Batterie B wird dem Spannungsregler SpgR ein zusätzlicher Sollwert zugeführt, der einem an der Batterie 5 angebrachten Temperaturfühler TF, z.B. einem Heißleiter, entnommen ist, weil die Kennlinie eines Heißleiters ungefähr der Abhängigkeit der Gasungsspannung einer NiCd-Batterie von der Temperatur entspricht. Die Stromversorgung des Verstärkers V, des Stromreglers StR und des Spannungsreglers SpgR erfolgt zentral vermittels des Speisegerätes SpG.The current actual value Iist for the current controller StR is expediently the battery-side end of the base point resistance W taken, while the voltage actual value Uist for the voltage regulator SpgR from the ground-side end of the smoothing choke GD is derived. To take into account the temperature dependence of the gassing voltage the battery B is fed an additional setpoint value to the voltage regulator SpgR, the temperature sensor TF attached to the battery 5, e.g. an NTC thermistor, is taken because the characteristic of an NTC thermistor approximately depends on the The gassing voltage of a NiCd battery corresponds to the temperature. The power supply the amplifier V, the current regulator StR and the voltage regulator SpgR takes place centrally by means of the power supply unit SpG.

Der taktgesteuerte Transistor T schaltet die gleichgerichtete Batterieladespannung zu und b. Sperrt der Transistor, so klingt der Ladestrom infolge der in der Glättungsdrossel GD gespeicherten Energie über die eine Gleichrichterbrückenhälfte, die Sekundärwicklungen des Transformators DT und die Freilaufdiode FD in Abhängigkeit von der Zeitkonstante in diesem Stromkreis ab.The clock-controlled transistor T switches the rectified battery charging voltage to and b. If the transistor blocks, the charging current sounds as a result of that in the smoothing choke GD stored energy via one half of the rectifier bridge, the Secondary windings of the transformer DT and the freewheeling diode FD as a function on the time constant in this circuit.

Die Ladung der Batterie B erfolgt pulsartig mit im Mittelwert konstantem Strom solange, bis die Gasungsspannung der Batterie erreicht ist, wie dies in der Fig. 2 veranschaulicht ist. Der linke Teil der Fig. 2 veranschaulicht den Anstieg der Zellenspannung U innerhalb der Ladezeitdauer t1, wobei angenommen ist, daß die Gasungsspannung bei einer Spannung von 29 V auftreten möge. Sobald der Gasungsspannungswert erreicht ist, wird der Transistor T, Fig. 1, gesperrt, bis die Batteriespannung auf einen bestimmten, einstellbaren Wert abgesunken ist. Diese Hysterese ist vermittels der (nicht dargestellten) Mitkopplung des Regelverstärkers V einstellbar. Im rechten Teil der Fig. 2 ist der Verlauf der auf die Volladung, links, folgenden Erhaltungsladung veranschaulicht, wonach periodisch in Abhängigkeit von der Zellenspannung der Batterie die Nachladung mit niedriger Taktfrequenz erfolgt, wobei die bei der Vonadune angewendete Strompulsung (1 kHz) erhalten bleibt.The battery B is charged in a pulsed manner with a constant mean value Current until the gassing voltage of the battery is reached, as shown in the Fig. 2 is illustrated. The left part of Fig. 2 illustrates the increase of the cell voltage U within the charging period t1, it being assumed that the Gassing voltage may occur at a voltage of 29 V. As soon as the gassing voltage value is reached, the transistor T, Fig. 1, is blocked until the battery voltage has dropped to a certain, adjustable value. This hysteresis is mediated the positive feedback (not shown) of the control amplifier V adjustable. In the right Part of FIG. 2 is the course of the trickle charge following the full charge on the left illustrates, after which periodically depending on the cell voltage of the battery the reloading takes place at a low clock frequency, whereby the one used with the Vonadune Current pulsing (1 kHz) is retained.

Hierbei pendelt die Spannung der Batterie wie dergestellt in der Zeit t2.The voltage of the battery fluctuates over time t2.

In der Fig. 3 ist der dazugehörige LadestromçTerlauf innerhalb der Zeit tl während der Volladung und rechts daneben die zeitliche Strompulsung während der Erhsltungsladezeit t2 veranschaulicht. Der Strom während der Volladezeit beträc,t im Mittel 15 A. Den wirklichen Verlauf des Ladestroms veranschaulicht die Fig. 4, und man erkennt, daß der rhythmisch variierte Strom sowohl während der VoZladezeit tl als auch während der Erhaltungsladezeit t2 Werte zwischen 14 und 16 A, im Mittel also 15 A erreicht; die Pulsperiode dauert eine Millisekunde, d.h. die Pulsfrequenz beträgt 1 kHz.In FIG. 3, the associated charging current curve is within the Time tl during the full charge and right next to it the temporal current pulsing during the conservation loading time t2 illustrated. The current during the full charging time is t on average 15 A. The actual course of the charging current is illustrated in FIG. 4, and it can be seen that the rhythmically varied current both during the charging time tl as well as during the float charging time t2 values between 14 and 16 A, on average thus reached 15 A; the pulse period lasts one Millisecond, i.e. the pulse frequency is 1 kHz.

In Fig. 5 ist der Verlauf der Gasungsspannung GU in Abhängigkeit von der Temperatur bei einer NiOd-Batterie -dargestellt.In FIG. 5, the course of the gassing voltage GU is a function of the temperature of a NiOd battery.

Sowohl der Stromregler StR als auch der Spannungsregler SpgR in Fig. 1 sind als Zweipunktverstärker ausgebildet und führen durch ihre beiden Ausgangsschaltzustände zum Sperren bzw.Both the current regulator StR and the voltage regulator SpgR in Fig. 1 are designed as two-point amplifiers and lead through their two output switching states to block or

Durchsteuern des Transistors T. An den Eingängen der Verstärker StR und SpgR werden Sollwert/lstwertvergleiche für Strom und Spannung vorgenommen, die maßgebend für den Schaltzustand am Ausgang der Verstärker sind. Die Stromregelung ist der Spannungsregelung unterlagert, d.h. bis zum Erreichen der Gasungsspannung der Batterie B ist nur der Stromregler StR im Eingriff, danach, während der Erhaltungsladung, auch der Spannungsregler SpgR.By controlling the transistor T. At the inputs of the amplifier StR and SpgR, setpoint / actual value comparisons are made for current and voltage are decisive for the switching status at the amplifier output. The current control is subordinate to the voltage regulation, i.e. until the gassing voltage is reached of battery B only the current regulator StR is engaged, then, during the trickle charge, also the voltage regulator SpgR.

6 Patentansprüche 4 Figuren6 claims 4 figures

Claims

Patent applications fl (1.) Circuit arrangement and method of charging of batteries, especially aircraft batteries, from the AC or three-phase network by means of uncontrolled bridge rectifiers, characterized in that in the Charging circuit the switching path of a controllable semiconductor (T) is connected, the control side in cycles from a current regulator (StR) as well as from one Voltage regulator (SpgR), each with two-point behavior and a specifiable setpoint, like this It is influenced that the controllable semiconductor (T) due to one of the current regulation superimposed voltage regulation up to the gassing voltage of the battery (B) exclusively from the current regulator (StR) with high clock frequency and then also from the voltage regulator (SpgR) is controlled with a lower clock frequency.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the actual current value for the current regulator (StR) a base point resistance provided in the charging circuit (W) of the controllable semiconductor (T) is taken.

3. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the actual voltage value (Uist) for the voltage regulator (SpgR) from the battery terminal voltage is derived.

4. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that the voltage regulator (SpgR) to take into account the temperature dependence of the gassing voltage (UG) of the battery (B) a: additional setpoint can be fed to the one at the battery (B) attached temperature sensor (TF), preferably an NTC thermistor is.

5. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that one provided to protect the switching path of the controllable semiconductor (transistor T) Free-wheeling diode (PD) with its anode (A) at the star point (St) of the bridge rectifier (Gl) and with its cathode (K) at the connection point between the base point resistor (W) and semiconductor electrode (emitter of transistor T) is connected.

6. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that In the charging circuit of the battery (B) a throttle (GD) is provided, which on the one hand the bridge rectifier output (1) and on the other hand to the negative battery terminal connected.