DE2208365B2 - Schnelladeverfahren und Schaltung zum Laden einer Akkumulatorenbatterie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Schneliadeverfahren zum Laden einer Akkumulatorenbatterie unter Anwendung folgender Schritte: Anlegen eines hohen Ladestromes während eines ersten festen Zeitraumes; Unterbrechen der Hochstrom-Ladung; und Überwachung der Batteriespannung während der Unterbrechung; die Erfindung betrifft ferner eine Batterie-Ladeschaltung zur Anwendung dieses Verfahrens.

Die Erfindung baut sich teilweise auf Verfahren und Ladeschaltungen auf, die aus der US-PS 35 17 293, US-PS 36 14 583, US-PS 36 09 502 und US-PS 36 09 503 bekannt sind.

Bekanntlich läßt sich die Ruhespannung einer Batterie bei Unterbrechung eines diese zuvor durchfließenden hohen Ladestromes ausgezeichnet als Indikator für den Ladezustand der Batterie einsetzen. Dies gilt insbesondere, wenn das Laden der Batterie nach dem Verfahren und mit der Vorrichtung erfolgt, die in der US-PS 35 17 293 beschrieben sind. Im Verlaufe des Ladevorganges steigt die Batterie-Klemmenspannung jedesmal etwas weniger an, wenn der hohe Ladestrom unterbrochen wird.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, den Endzeitpunkt für die Hochstrom-Ladung der Batterie durch genaue Überwachung der Batterie-Ruhespannung zu bestimmen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei dem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der hohe Ladestrom wieder angelegt wird, wenn die Betriebsspannung mindestens bis auf einen vorbestimm-

ten Spannungswert innerhalb eines zweiten festen Zeitraums absinkt; daß die Schritte so lange wiederholt werden, bis die Batteriespannung bei abgeschaltetem hohem Ladestrom während des zweiten festen Zeitraumes nicht mehr auf den vorbestimmte·) Spannungswert absinkt und daß danach das weitere Anlegen des hohen Ladestromes gesperrt wird.

Diese Aufgabe wird ferner durch eine Batterie-Ladeschaltung mit einer Quelle für Ladestromimpulse, mit einem erster Strompfad zwischen der Quelle und der zu ladenden Akkumulatorenbatterie, in dem sich ein steuerbarer Schalter mit einem Hochwiderstands-Schaltzustand und einem Niedrigwiderstands-Schaltzustand zum Durchlassen eines die nominale Ein-Stunden-Kapazität der Zellen der zu ladenden Batterie übersteigenden Ladestromes befindet, und mit einem den steuerbaren Schalter überbrückenden Dauerlade-Stiompfad, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerschaltung mit Einrichtungen zur Überwachung des Grades der Batteriespannungs-Änderung bei Abschaltung des hohen Ladestromes, und mit von den Überwachungs-Einrichtungen abhängigen Einrichtungen, welche den Betrieb des steuerbaren Schalters in der Weise steuern, daß dieser seinen Hochwiderstands-Schaltzustand beibehält, nachdem der Grad der Batteriespannungs-Änderung kleiner als der vorbestimmte Wert geworden ist, vorhanden ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.

Im folgenden wird ein Alisführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein kombiniertes Block- und Schaltschcma einer Batterie-Ladeschaltung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

F i g. 2 ein Diagramm mit verschiedenen Kennlinien der Akkumulatorenbatterie-Klemmenspannung bei Unterbrechung eines hohen Ladestromes;

F i g. 3 ein Diagramm mit festen Zeiträumen, in deren Verlauf der hohe Ladestrom angelegt wird bzw. die Ruhespannung der Akkumulatorenbatterie abgetastet wird; und

F i g. 4 ein Diagramm mit Übertragungs-Kennlinien eines Differenz-Verstärkers, wie er in der Schaltung von F i g. 1 verwendet wird.

Im erfindungsgemäßen Schnelladeverfahren zum Laden einer Akkumulatorenbatterie werden über einen steuerbaren Schalter 2 Ladeimpulse von hohem Strom einer Akkumulatorenbatterie 1 zugeführt; der steuerbare Schalter 2 befindet sich zwischen einer Ladestrom-Impulsquelle 3 und der Batterie !.Zur Überwachung der Ruhespannung der Batterie 1 ist diese durch eine Steuerschaltung 4 überbrückt; diese Steuerschaltung 4 steuert außerdem die Betriebsweise des Schalters 2.

Bestimmte Anwendungsbereiche fordern relativ leichte Batterie-Ladegeräte; in einem solchen Fall kann zur Ladeschaltung ferner ein Wechselrichter 5 und ein Transformator 6 zur Umwandlung des Ausganges der Impulsquelle 3 in eine hochfrequente Wechselstromquelle gehören, wie aus der US-PS 36 09 502 bekannt ist. In jedem Falle steuert ciie Steuerschaltung 4 den steuerbaren Schalter 2 in der Weise, daß ein hoher Ladestrom während eines ersten festen Zeitraumes zur Batterie gelangt und anschließend unterbrochen wird, um die Batterie-Ruhespannung zu überwachen. Unter Batterie-Ruhespannung versieht man die Klemmensnannune der Batterie während des Zeitraumes, in dem kein Ladestrom fließt Der Batterie kann jedoch ein Dauerladestrom zugeführt werden, dessen Wert annähernd lOOstel vom hohen Ladestrom beträgt; dennoch kann man trotz der Anwesenheit eines solchen ^r. Dauerladestromes die Batterie-Klemmenspannung immer noch als Batterie-Ruhespannung betrachten. Wird demgemäß nachfolgend von der Überwachung oder Abtastung der Ruhespannung gesprochen, so kann es sich entweder um die Batterie-Klemmenspannung bei

ίο fließendem Dauerladestrom, oder um die Batterie-Klemmenspannung ohne jeglichen Ladestromfluß handeln.

Während eines zweiten festen Zeitraumes vergleicht die Steuerschaltung 4 die Batterie-Ruhespannung mit

r> einer Referenzspannung. Sinkt die Batterie-Ruhespannung gegenüber der Referenzspannung auf einen vorbestimmten Wert ab, dann veranlaßt die Steuerschaltung 4 den steuerbaren Schalter 2, wieder einen hohen Ladestrom anzulegen. Diese Schritte wiederho-

2<) fen sich, bis die Batterie-Ruhespannung oberhalb des vorbestimmten Wertes verbleibt, während sie im Verlaufe der Unterbrechung des hohen Ladestromes während des zweiten festen Zeitraumes überwacht wird. Sinkt die Batterie-Ruhespannung nicht während des

-'"> zweiten festen Zeitraumes auf den vorbestimmten Wert ab, so unterbindet die Steuerschaltung 4 ab sofort den Betrieb des steuerbaren Schalters 2, so daß der Batterie 1 kein hoher Ladestrom mehr zugeführt werden kann.

Der steuerbare Schalter 2 aus der Ladeschaltung von

ν Fig. 1 beinhaltet einen Thyristor 10, dessen Ar.ode an die eine Seite der Impulsquelle 3, und dessen Kathode über den Wechselrichter 5, Transformator 6, und zwei Gleichrichter 7 und 8, welche an entgegengesetzten Enden der Sekundärwicklung des Transformators 6

ι■> angeschlossen sind, zur Batterie 1 führt und über diese wiederum mit der anderen Seite der Impiilsquelle 3 verbunden ist. Ferner umfaßt der steuerbare Schalter 2 einen sättigbaren Transformator 11 mit drei Wicklungen, nämlich einer Torwicklung 12, einer Serienwick-

•to lung 13 und einer Steuerwicklung 14. Die Torwicklung 12 liegt zwischen der Steuerelektrode und der Kathode des Thyristors 10, und zwar unter Zwischenschaltung eines stromLegreiizenden Widerstandes 15. Die Serienwicklung 13 liegt zwischen Anode und Kathode des

i^r> Thyristors 10, ebenfalls unter Einschaltung eines strombegrenzenden Widerstandes 16. Die Steuerwicklung 14 ist in nachfolgend beschriebener Weise an die Steuerschaltung 4 angeschlossen. Ein Kondensator 17 und ein Widerstand 18 liegen jeweils zwischen der

^r>» Steuerelektrode und der Kathode des Thyristors 10.

Zur Steuerschaltung 4 gehört eine die Batterie 1 überbrückende erste Steuerschaltung mit einem Widerstand 20, einer Z-Diode 21 und einer Z-Diode 22 in Serienschaltung. Ein Kondensator 23 überbrückt die

V\ beiden Z-Dioden 21 und 22. Außerdem gehört zur Steuerschaltung 4 eine zweite die Batterie 1 überbrükkende Spannungsteilcrschaltung mit einer Z-Diode 24 und einem Widerstand 25 in Serienschaltung. Die beiden in Serie liegenden Z-Dioden 21 und 22 sind mit einer

mi weiteren Spannungsteilerschaltung überbrückt, welche aus einem Potentiometer 26 sowie einem Thermistor 27 in Serienschaltung besteht. An der Verbindungsstelle zwischen Widerstand 20 und Z-Diode 21 erscheint eine erste Referenzspannung, und eine zweite Referenzspan-

^ nung mit niedrigerem Wert erscheint zwischen den beiden Z-Dioden 21 und 22. Diese Referenzspannungen werden zur Versorgung der restlichen Steuerschaltung 4 mit BetriebssDannune benutzt. Die Z-Diode 24 ist zum

Zwecke der Temperaturkompensation in thermischem Kontakt mit dem Thermistor 27.

Die restliche Steuerschaltung 4 besteht aus einem Differenzverstärker und bipolaren Detektor 30, einer Schwellwert-Stellschaltung 31, einem Transistor-Schallkreis 32, zwei Feldeffekt-Transistoren 33 und 34 mit ihren Steuerschaltungen, und aus einem strombegrenzenden Widerstand 35, der zwischen dem Ausgang des Transistor-Schaltkreises 32 und der Steuerwicklung 14 des sättigbaren Transformators 11 liegt. Die beiden Eingangssignale des Differenzverstärkers und bipolaren Detektors 30 sind eine Referenzspannung vom Schleifer des Potentiometers 26, und eine an der Verbindungsstelle zwischen Z-Diode 24 und Widerstand 25 anliegende Spannung, welche die Batterie-Klemmenspannung repräsentiert. Dip zwischen Z-Diode 24 und Widerstand 25 anliegende Spannung gelangt über ein Hochfrequenz-Filternetzwerk, bestehend aus einem Widerstand 36 und einem mit Masse verbundenen Kondensator 37, an den einen Eingang des Differenzverstärkers und bipolaren Detektors 30. Gemäß Fig. 1 ist auch die negative Klemme der Batterie 1 an diese Masse angeschlossen. Der Differenzverstärker und bipolare Detektor 30 besiizt außer seinen beiden Eingängen und seinem Ausgang einen an Masse angeschlossenen Anschluß 38 sowie einen oberhalb der Z-Diode 21 an die Quellspannung angeschlossenen Anschluß 39. Der Ausgang des Differenzverstärkers und bipolaren Detektors 30 ist mit dem Eingang der Schwellwert-Stellschaltung 31 verbunden, die über einen Anschluß 40 an die niedrigere Schwellspannung zwischen den Z-Dioden 21 und 22 angeschlossen ist. Ferner besitzt die Schwellwert-Stellschaltung 31 zwei durch einen Kondensator 23 überbrückte Anschlüsse 41 und 42, und einen Schwellwerl-Stelianschluß 44, der mit dem drain-Element des Feldcffekt-Transistors 34 verbunden ist. Der Ausgang der Schwellwert-Stellschaltung 31 ist über eine Diode 45 an den Transistor-Schaltkreis 32 angeschlossen; an der Verbindungsstelle zwischen dieser Diode 45 und dem Transistor-Schaltkreis 32 steht außerdem über eine Diode 46 und den Feldeffekt-Transistor 33 mit der /weiten Queüspannung zwischen den Z-Dioden 21 und 22 in Verbindung. Vorteilhafterweise können der Differenzverstärker und bipolare Detektor 30, die Schwellwert-Stellschaltung 31, der Transistor-Schaltkreis 32 sowie die Dioden 45 und 46 in einem integrierten Schaltkreis zusammengefaßt sein.

Zur Steuerschaltung für den Feldeffekt-Transistor 34 gehört ein zwischen dessen Steuerelektrode und einem Ausgangs-Anschluß 51 des Transistor-Schaltkreises 32 liegender Kondensator 50, und ferner ein Widerstand 52 sowie eine parallel zu diesem liegende Serienschaltung aus einem Widerstand 53 und einer Diode 54, über die das Steuerelement des Feldeffekt-Transistors 34 mit Masse verbunden ist.

Die Steuerschaltung für den Feldeffekt-Transistor 33 umfaßt ferner einen Kondensator 55, einen Widerstand 56 und einen Widerstand 58, die alle mit der Steuerelektrode des Feldeffekt-Transistor? 33 verbunden sind und andererseits mit Quellelementen bzw. einem Ausgangsanschluß 51 des Transistor-Schaltkreises 32 bzw. mit Masse verbunden sind. Die in Serien liegende Kombination aus Kondensator 55 und Widerstand 56 ist durch einen im Ruhezustand offenen Schalter 57 überbrückt.

Zum Transistor-Schaltkreis 32 gehört ein Transistor 61 sowie ein weiterer Transistor 60, der den Betriebsstrom für den Transistor 61 einstellt. Beide Transistoren 60 und 61 sind NPN-Typcn. Transistor 60 ist mit seinem Kollektor über einen Widerstand 62 an die erste Spannungsquelle oberhalb der Z-Diode 21, und über eine Serienschaltung aus einer Diode 64 und einem ι Widerstand 65 mit seinem Emitter an die Quellspannung zwischen den beiden Z-Dioden 21 und 22 angeschlossen. Während Kollektor und Basis dieses Transistors 60 durch einen Widerstand 63 überbrückt sind. Die Basis des Transistors 61 liegt am Verbindungspunkt zwischen

in Diode 64 und Widerstand 65, während der Emitter dieses Transistors an der Quellspannung zwischen den Z-Dioden 21 und 22 liegt. Mit seinem Kollektor ist der Transistor 61 über einen Widerstand 66 an die Quellspannung oberhalb der Z-Diode 21 angeschlossen.

i") Am Kollektor von Transistor 61 befindet sich auch der Ausgangsanschluß 51 des Transistor-Schaltkreises 32.

Im Betrieb liefert die Ladestrom-Impulsquelle 3, beispielsweise ein Vier-Weg-Gleichrichter zur Gleichrichtung einer HO V-Spannungsquelle mit 60 Hz Netz-

>o frequenz Gleichstromimpulse. Die positiven Stromphasen der Impulsquelle 3 fließen über Widerstand 16 zur Serienwicklung 13 des sättigbaren Transformators 11. Dieser Strom sättigt sehr schnell den sättigbaren Transformator 11, so daß die Torwicklung 12 nicht die

-¹) zur Durchschaltung des Thyristors 10 erforderliche Zündspannung zwischen Steuerelektrode und Kathode des Thyristors erzeugen kann. Somit verbleibt als einziger Strompfad für den aus der Impulsquelle 3 zum Wechselrichter 5 fließenden Strom die Serienschaltung

i» aus Widerstand 16 und der Serienwicklung 13.

Gemäß Fig. 1 kann als zusätzlicher Strompfad ein Dauerlade-Strompfad um den Thyristor 10 herumgelegt sein, und zwar in Form einer Serienschaltung aus Anzeigelampe 70 und Strombegrenzungs-Widerstand

Der Wechselrichter 5 wandelt die Gleichstromimpulse in eine hochfrequente Wechselspannung um. Handelt es sich beim Wechselrichter 5 um einen Typ, wie er aus der US-PS 36 09 502 bekannt ist, so ist die hochfrequen-

4(1 te Wechselspannung im wesentlichen rechteckförmig. Diese Wechselspannung wird über einen Transformator 6 auf die als Doppelweg-Gleichrichter geschalteten Dioden 7 und 8 gegeben, so daß zwischen der Verbindungsstelle zwischen den Gleichrichtern 7 und 8

-T₁ und einer Mittelanzapfung 72 des Transformators 6 Gleichstrom-Impulse abgenommen werden können. Somit fließt, wenn die Batterie 1 an die Ladeschaltung gemäß F i g. 1 angeschlossen wird, zunächst ein Dauerladestrom von der Impulsquelle 3. Dieser

so Dauerladestrom kann in der Größenordnung von einem Zehntel des Stromwertes liegen, den Batteriehersteller beispielsweise für das Aufladen von Nickel-Kadmium-Batterien empfehlen.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sei angenommen, daß die Batterie 1 eine 24 V-Nickel-Kadmium-Batterie von 7 Amperestunden ist, bestehend aus 20 Zellen. Um eine solche Akkumulatorenbatterie durch Anlegen eines hohen Ladestromes schnell laden kann; hierfür wird im allgemeinen mit einem hohen Strom geladen,

bo welcher die Ein-Stunden-Nennkapazität der Batteriezellen übersteigt, und zwischenzeitlich wird die Batterie während des Ladeprozesses immer wieder entladen. Diese Batterieentladungen können gemäß US-Patent 35 17 293 erfolgen, oder es kann jeweils nach Beendi-

b5 gung eines Hochstrom-Ladeimpulses entladen werden, wie aus US-PS 36 09 502 bekannt ist Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird gemäß der US-PS 36 09 502 am Ende jedes Hochstrom-Ladeimpulses ein Entlade-

Strompfad bereitgestellt, der entweder über den Gleichrichter 7 oder 8 und die Sekundärwicklung des Transformators 6 zur Mittelanzapfung 72 und von dort zum negativen Anschluß der Batterie 1 führt.

Ladet man eine 24-Volt-Batterie mit hohem Ladestrom, so erreicht die Ausgangsspannung an der Verbindungsstelle zwischen den Gleichrichter 7 und 8 einen Spitzenwert von etwa 31 Volt. Legt man 31 Volt an den aus Widerstand 20 und den Z-Dioden 21 und 22 bestehenden Spannungsteiler, so legen 12 Volt oberhalb ι u der Z-Diode 21 und 6 Volt an der Verbindungsstelle zwischen den beiden Z-Dioden 21 und 22 an, gemessen gegenüber Masse, wo auch der negative Anschluß der Batterie 1 angeschlossen ist.

Zur Erzeugung eines hohen Ladestromes muß der <5 Thyristor 10 so getriggert werden, daß er einen Strompfad mit niedrigem Widerstand zwischen Impulsquelle 3 und Wechselrichter herstellt. Der Betrieb des Thyristors 10 wird durch die Wicklungen des sättigbaren Transformators 11, die Widerstände 15 und 16, und durch das aus Kondensator 17 und Widerstand 18 bestehende Zeitglied gesteuert. Solange Strom lediglich durch die Serienwicklung 13 fließt, wird der Thyristor 10 nicht durchgeschaltet, weil dieser Strom den Transformator 11 schnell sättigt. Zur Durchschaltung des ^ Thyristors 10 muß zusätzlich ein Strom durch die Steuerwicklung 14 fließen, und zwar muß der Strom aus dem mit einem Punkt versehenen Ende der Steuerwicklung 14 herausfließen, um den Thyristor einzuschalten.

Fließt Strom aus dem mit einem Punkt gekennzeichneten Ende der Steuerwicklung 14, so ist das durch diesen Strom erzeugte Feld dem anderen Magnetfeld entgegengesetzt, welches durch den durch die Serienwicklung 13 fließenden Strom erzeugt wird. Fließt also Strom durch die Steuerwicklung 14, so überwindet der durch die Serienwicklung 14 fließende Strom das von dem durch die Steuerwicklung 14 fließenden Strom erzeugte Feld; steigt jetzt der Strom in der Serienwicklung 13 an, so führt er das Magnetfeld aus der Sättigung heraus, dieses wird kleiner. Während das Magnetfeld im Kern des sättigbaren Transformators 11 beginnt, zusammenzubrechen, wird in der Torwicklung 12 eine Spannung induziert, welche den Thyristor 10 triggert. Diese Betriebsphase mit hohem Ladestromfluß dauert an, solange Strom durch die Steuerwicklung 14 fließt; der Stromfluß durch die Steuerwicklung 14 wird durch die Steuerschaltung 4 gesteuert.

Ursprünglich fließt kein Strom durch die Steuerwicklung 14, und die Batterie 1 erhält lediglich einen Dauerladestrom. Zu Beginn der Betriebsphase mit hohem Ladestrom wird der Schalter 57 kurzzeitig geschlossen, um eine Spannung von 6 Volt an den Ausgangsanschluß 51 der Steuerschaltung 4 zu legen. Liegen 6 Volt am Anschluß 51 an, so läßt der mit 12 Volt aufgeladene Kondensator 50 zwischen der Steuerelektrode und den Quellelementen des Feldeffekt-Transistors 34 negative 6 Volt auftreten. Durch diese negativen 6 Volt wird der Feldeffekt-Transistor 34 gesperrt, so daß dieser die Schwellwert-Stellschaltung 31 von Masse abtrennt Zusätzlich erscheinen die am Ausgangsanschluß 51 auftretenden positiven 6 Volt an einem Ende der Steuerwicklung 14 auf, während das andere Ende der Steuerwicklung 14 eine positive Spannung von 12 Volt aufweist, welche auch auf der Oberseite der Z-Diode 21 anliegt Bei 6 Volt am einen Ende der Steuerwicklung 14 wird diese von einem Strom durchflossen, welcher die Hochstrom-Batterieladung einleitet Bevor man durch Schließen des Schalters 57 den Ausgangsanschluß 51 adf ein Potential von 6 Volt bringt, liegen dort 12 Volt an, und zwar über den Widerstand 66 des Transistor-Schaltkreises 32. Bei Abtrennung des Stellanschlusses 44 der Schwellwert-Stellschaltung 31 von Masse werden die beiden Transistoren 60 und 61 durchgeschaltet, so daß über den Transistor 61 die positiven 6 Volt am Ausgangsanschluß 51 erhalten bleiben. Die positiven 6 Volt bleiben am Ausgangsanschluß 51 über einen ersten festen Zeitraum hinweg erhalten, welcher durch die Entladungszeit des Kondensators 50 begrenzt wird. Die Entladung vom Kondensator 50 erfolgt über die leitende Strecke des durchgeschalteten Transistors 61, die Z-Diode 22 und den hohen Widerstand von Widerstand 52 hinweg statt. Die Werte von Widerstand 52 und Kondensator 50 sind so ausgewählt, daß sie einen konstanten Zeitraum begrenzen, in dessen Verlauf die Batterie 1 hohen Ladestrom erhält. Beispielsweise sei angenommen, daß die KC-Zeitkonstante so gewählt ist, daß der Feldeffekt-Transistor 34 etwa 10 Sekunden lang abgeschaltet bleibt. Sobald Feldeffekt-Transistor 34 wieder durchgeschaltet ist und den Anschluß 44 mit Masse verbindet, werden die Transistoren 60 und 61 des Transistor-Schaltkreises 32 abgeschaltet, so daß wieder plus 12 Volt am Anschluß 51 anliegen und der hohe Ladestromfluß zur Batterie 1 beendet wird. Die Transistoren 60 und 61 bleiben abgeschaltet, bis an der Basis von Transistor 60 wieder eine ausreichend hohe Spannung anliegt. Angenommen, der Emitter von Transistor 61 liegt an 6 Volt, so muß die Spannung an der Basis von Transistor 60 etwa plus 7¹/? Volt erreichen, um die beiden Transistoren durchzuschalten.

Im durchgeschalteten Zustand führt der Feldeffekt-Transistor 33 der Basis von Transistor 60 weniger als 6 Volt zu. Nach Abschaltung des hohen Ladestromes bleibt der Feldeffekt-Transistor 33 über einen zweiten ausgewählten festen Zeitraum hinweg abgeschaltet. Während des hohen Ladestromflusses beträgt die Spannung am Ausgangsanschluß 51 plus 6 Volt, so daß sich der Kondensator 55 auf etwa 3,6 Volt auflädt. Gibt man dem Widerstand 56 einen Wert von 15 Megohm und dem Widerstand 58 einen Wert von 10 Megohm, und liegen 3,6 Volt am Kondensator 55 an, so bleibt der Feldeffekt-Transistor 33 abgeschaltet Hebt man die positive Spannung von 6 Volt am Ausgangsanschluß 51 auf plus 12 Volt an, so entlädt sich der Kondensator 55, und nach Ablauf eines ausgewählten Zeitraumes wie beispielsweise 400 Millisekunden erreicht die Steuerelektrode des Feldeffekt-Transistors 33 die zum Durchschalten des Feldeffekt-Transistors 33 notwendige Schwellwertspannung, so daß jetzt die beiden Transistoren 60 und 61 abgeschaltet werden. In diesem Falle fließt kein Strom mehr durch die Steuerwicklung 14, so daß jetzt der hohe Ladestromfluß durch Batterie 1 unterbrochen ist In diesem Augenblick ist der hohe Ladestromfluß, und in gewissen Anwendungsfällen die Schnell-Ladung der Batterie 1 durch Abschaltung des steuerbaren Schalters 2 beendet

Um den hohen Ladestromfluß zum -richtigen Zeitpunkt zu beenden, wird die Batterie-Ruhespannung überwacht; das ist die Batteriespannung zu einem Zeitpunkt, in dem kein Ladestrom fließt Angenommen, die Zener-Spannung der Z-Diode 24 beträgt 24 Volt so baut sich der Rest der Batterie-Klemmenspannung am Widerstand 25 auf. Diese Spannung wird mit einer Referenzspannung am Schleifer des Potentiometers 26 verglichen, welches zum Differentialverstärker und bipolaren Detektor 30 gehört Wird der Feldeffekt-

Transistor 34 angeschaltet und verbindet damit den Anschluß 44 der Schwellwert-Stellschaltung 31 mit Masse, so wird durch Abschaltung der Transistoren 60 und 61 der hohe Ladestrom abgeschaltet und der Schwellwert-Pegel des Differentialverstärkers und bipolaren Detektors 30 auf einen ausgewählten Schwellwert von beispielsweise 17 Millivolt eingestellt. Liegt der ausgewählte Schwellwert bei 17 Millivolt, so muß der am Widerstand 25 anliegende Teil der Batterie-Ruhespannung mindestens unterhalb diesen Wert von 17 Millivolt der dem Differenzverstärker und bipolaren Detektor 30 zugeführten Referenzspannung absinken, bevor mittels eines Signals über Diode 45 die Transistoren 60 und 61 wieder angeschaltet werden.

Der Kurvenverlauf der Batterie-Klemmenspannung nach Fortnahme des hohen Ladestromes hat einen in Fig.2 dargestellten Verlauf. Angenommen, der Spitzenwert der an die Batterie 1 angelegten Spannung beträgt 32 Volt, und die Z-Diode 24 verbraucht davon 24 Volt, so verbleiben am Widerstand 25 noch 8 Volt. Infolge innerer Verluste innerhalb der Batterie 1 wird diese Spannung schnell auf 7 Volt absinken, wie aus F i g. 2 zu entnehmen ist. Im weiteren Verlauf sinkt die Baterie-Ruhespannung langsam in Form einer Parabel in Richtung auf einen stabilen Endwert ab, der auch innerhalb mehrerer Stunden nicht erreicht wird. Dennoch ist die Absinkgeschwindigkeit der Batteriespannung ein ausgezeichneter Indikator für den Ladezustand der Batterie. Die Anstiegsrate der Batterie-Ruhespannung wird nämlich umso kleiner, je weiter der Ladezustand der Batterie fortschreitet. So gehört die untere Kurve in F i g. 2 zu einer Batterie, die weniger aufgeladen ist als die zur oberen Kurve gehörige Batterie. Angenommen, der Kondensator 55 und die Widerstände in seinem Entlade-Strompfad sind so bemessen, daß der Feldeffekt-Transistor 33 für 400 Millisekunden abgeschaltet bleibt, so wird, wenn die Batteriespannung so weit absinkt, daß der am Widerstand 25 anliegende Spannungsanteil das 17-Millivolt-Fenster um die 6 Volt-Bezugsspannung am Eingang des Differenzverstärkers und bipolaren Detektors 30 durchläuft, an die Diode 45 ein Impuls weitergeleitet, welcher die Transistoren 60 und 61 zwecks Wiederanlegung des hohen Ladestromes durchschaltet. Sinkt der am Widerstand 25 anliegende Anteil der Batteriespannung nicht so weit ab, daß er das 17-MillivoIt-Fenster um die 6-Volt-Referenzspannung in 400 Millisekunden durchläuft (diese Zeit ist in F i g. 2 mit f3 bezeichnet), so wird der Feldeffekt-Transistor 33 durchgeschaltet und verhindert damit die weitere Zufuhr des hohen Ladestromes zur Batterie 1. Die Referenzspannung, mit der die Baiteriespannung an den Eingängen zum Differenzverstärker und bipolaren Detektor 30 verglichen wird, ist so gewählt, daß die zu ladende Batterie einen gewünschten Ladezustand erreicht hat, bevor der hohe Batterie-Ladestrom abgeschaltet wird.

Zu Beginn der Wiederaufladung einer entladenen Batterie mit hohem Ladestrom wird die Batterie-Ruhespannung sehr schnell absinken und das 17-Millivolt-Fenster um die Referenzspannung durchlaufen, so daß der hohe Ladestrom nur über eine sehr kurze Zeitdauer hinweg abgeschaltet bleibt, die wesentlich kürzer als 400 Millisekunden ist Diese Zeit ist in Fig.2 mit t„ bezeichnet, und sie bewegt sich von einem Zeitpunkt fe, zu dem der hohe Ladestrom unterbrochen wird, in Richtung auf den Zeitpunkt f* welcher den Ablauf von 400 Millisekunden repräsentiert Während sich die Zeit t_x in Richtung auf ti bewegt, nimmt der Ladezustand der Batterie 1 zu.

Der erste feste Zeitraum, in dessen Verlauf die Batterie den hohen Ladestrom erhält, wird durch die Widerstands- und Kapazitäts-Werte im Entlade-Strompfad von Kondensator 50 bestimmt; dieser erste feste Zeitraum liegt in Fig.3 zwischen i| und h- Der zweite ausgewählte Zeitraum, in dessen Verlauf die Batterie-Ruhespannung abgetastet und an dessen Ende

ίο der hohe Ladestrom abgeschaltet wird, wenn die

Batterie-Ruhespannung oberhalb des vorbestimmten Wertes verbleibt, liegt in Fig. 3 zwischen den Zeitpunkten h und f₃. In Fig.4 ist die Übertragungscharakteristik des

Differenzverstärkers und bipolaren Detektors 30 und der Stellwert-Stellschaltung 31 dargestellt. Die unterbrochene Linie 80 repräsentiert die am Eingang des Differenzverstärkers und bipolaren Detektors 30 anliegende Referenzspannung, und die unterbrochene Linie 81 entspricht dem Fenster, welches das Ausgangssignal des Differenzverstärkers und bipolaren Detektors 30 passieren muß, um die Transistoren 60 und 61 in der Steuerschaltung 4 beeinflussen zu können. Die durchgehenden Kurvenzüge 82 und 83 der Fig.4 entsprechen dem an den variablen Eingangsanschluß des Differenzverstärkers und bipolaren Detektors 30 angelegten Eingangssignals, während die Ruhespannung der im Ladeprozeß befindlichen Batterie 1 überwacht wird. Hiervon entspricht die Kurve 82 einer langsamen Abstiegsrate der Batterie-Klemmenspannung, wie er für einen höheren Ladezustand der Batterie typisch ist. Dagegen ist die Kurve 83 typisch für einen niedrigeren Batterie-Ladezustand. Auf der Abszisse von Fig.4 ist die Spannungsdifferenz zwischen den Eingängen des Differenzverstärkers und bipolaren Detektors 30 aufgetragen, während in Fig.2 und 3 waagerecht der Zeitablauf aufgetragen ist.

Der feste Zeitraum, in dessen Verlauf hoher Ladestrom an die Batterie angelegt wird, läßt sich durch Veränderung der Zeitkonstante des aus Kondensator 50 und Widerstand 52 bestehenden ÄC-Gliedes dehnen oder kürzen. Außerdem läßt sich die maximale Länge des Zeitraumes, in dem die Batterie-Ruhespannung abgetastet wird, durch Verstellen der Zeitkonstante von Kondensator 55 und Widerstand 56 und 58 verlängern oder verkürzen. Die Ruhespannung, bei welcher der hohe Ladestrom abgeschaltet werden soll, läßt sich dadurch verändern, daß man eine andere Referenzspannung an einem Eingang des Differenzverstärkers und bipolaren Detektors 30 wählt.

Der zum steuerbaren Schalter 2 gehörige Kondensator 17 und Widerstand 18 schützen alle Gleichrichterelemente und anderen Elemente der Impulsquelle 3 vor Überstrom und/oder Einschaltspitzenströmen. Wird der Eingang des Wechselrichters 5 mit Filterkondensatoren überbrückt, wie in F i g. 1 schematisch durch einen Kondensator 19 angedeutet ist, so können Gleichrichterelemente und möglicherweise auch andere Bauelemente innerhalb der Impulsquelle 3 beschädigt werden, wenn die Wechselspannung in dieser Impulsquelle 3 sich ihrem Spitzenwert nähert und der Filterkondensator 19 nicht geladen ist Um den Thyristor 10 zu hindern, unmittelbar nach Anlegen von Spannung aus der Impulsquelle 3 durchzuschalten, bewirkt der Kondensa-

tor 17 eine Zeitverzögerung, welche sich auf die Serienwicklung 13 und die Steuerwicklung 14 des sättigbaren Transformators 11 auswirkt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

1 Patentansprüche:

1. Schnelladeverfahren zum Laden einer Akkumulatorenbatterie unter Anwendung folgender Schritte: Anlegen eines hohen Ladestromes während eines ι ersten festen Zeitraumes; Unterbrechen der Hochstrom-Ladung; und Oberwachen der Batteriespannung während der Unterbrechung, dadurch gekennzeichnet, daß der hohe Ladestrom wieder angelegt wird, wenn die Batteriespannung mindestens bis auf einen vorbestimmten Spannungswert innerhalb eines zweiten festen Zeitraumes absinkt; daß die Schritte so lange wiederholt werden, bis die Batteriespannung bei abgeschaltetem hohem Ladestrom während des zweiten festen Zeitraumes nicht mehr auf den vorbestimmten Spannungswert absinkt; and daß danach das weitere Anlegen des hoiien Ladestromes gesperrt wird.

2. Schnelladeverfahren nach Anspruch 1, dadurch, gekennzeichnet, daß ein die nominale Ein-Stunden-Kapazität der zu ladenden Akkumulatoren-Batterie übersteigender Ladestrom benutzt wird.

3. Schnelladeverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladestrom einer mit hoher Frequenz arbeitenden Wechselrichter-Schaltung entnommen wird.

4. Batterie-Ladeschaltung zur Anwendung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Quelle für Ladestromimpulse, mit einem ersten Strompfad zwischen der Quelle und «1 der zu ladenden Akkumulatoren-Batterie, in dem sich ein steuerbarer Schalter mit einem Hochwiderstands-Schaltzustand und einem Niedrigwiderstands-Schaltzustand zum Durchlassen eines die nominale Ein-Stunden-Kapazität der Zellen der zu » ladenden Batterie übersteigenden Ladestromes befindet, und mit einem den steuerbaren Schalter überbrückenden Dauerlade-Strompfad, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerschaltung (4) mit Einrichtungen zur Überwachung des Grades der 4« Batteriespannungs-Änderung bei Abschaltung des hohen Ladestromes, und mit von den Überwachungs-Einrichtungen abhängigen Einrichtungen, welche den Betrieb des steuerbaren Schalters (2) in der Weise steuern, daß dieser seinen Hochwiderstands-Schaltzustand beibehält, nachdem der Grad der Batteriespannungs-Änderung kleiner als der vorbestimmte Wert geworden ist, vorhanden ist.

5. Ladeschaltung mit Schaltungseinrichtungen, welche den steuerbaren Schalter innerhalb eines "><· ersten festen Zeitraumes in seinen Niedrigwiderstands-Schaltzustand zwecks Anlegen eines hohen Ladestromes an die Batterie versetzen, und Schaltungseinrichtungen zum Umschalten des steuerbaren Schalters in seinen Hochwiderstands-Zustand ^r>^r> zwecks Unterbrechung des hohen Ladestromflusses, nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Schaltungsemrichtungen, welche die Batterie-Klemmspannung mit einer Referenzspannung vergleichen, um daraus ein Steuersignal zur Umschal- bo tung des steuerbaren Schalters (2) in seinen Niedrigwiderstands-Zustand zu erzeugen, und weitere Schaltungseinrichtungen, welche das Steuersignal unwirksam machen, wenn es nach Ablauf eines ausgewählten zweiten Zeitraumes auftritt, und den ^h"> steuerbaren Schalter in seinem Hochwiderstands-Zustand belassen, vorhanden sind.

6. Ladeschaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch

gekennzeichnet, daß zu den Vergleichs-Schaltungseinrichtungen ein Differenzverstärker und bipolarer Detektor (30) gehört

7. Ladeschaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Schaltungseinrichtungen, welche den steuerbaren Schalter (2) in seinen Niedrigwiderstands-Zustand versetzen, ein Feldeffekt-Transistor (34) und eine ÄC-Vorspannungsschaltung (50, 52) mit vorbestimmter Zeitkonstante gehört, welche den Feldeffekt-Transistor in einen ersten Zustand im ersten ausgewählten Zeitraum vorspannt; und daß zu den Schaltungseinrichtungen zur Umschaltung und Belassung des steuerbaren Schalters (2) ein Feldeffekt-Transistor (33) und eine ÄC-Vorspannungsschaltung (55, 56, 58) gehört, welche den Feldeffekt-Transistor im zweiten ausgewählten Zeitraum in einen ersten Zustand versetzt.

8. Ladeschaltung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Schalter (2) einen Thyristor (10) und einen sättigbaren Transformator (11) mit einer Steuerwicklung (14), einer Serienwicklung (13) und einer die Steuerelektrode des Thyristors mit dessen Kathode verbindenden Torwicklung (12) aufweist; daß die Serienwicklung (13) zwischen der Anode und Kathode des Thyristors (10) angeschlossen ist; und daß die Steuerwicklung (14) an die Steuerschaltung (4) angeschlossen ist, um den durch diese fließenden Strom zu steuern.

9. Ladeschaltung nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Schalter (2) Mittel (17, 18) aufweist, welche den Durchfluß von Überstrom durch den Thyristor (10) verhindern.