DE2350494A1

DE2350494A1 - Batterieladesystem und spannungsregler fuer ein batterieladesystem

Info

Publication number: DE2350494A1
Application number: DE19732350494
Authority: DE
Inventors: David Gordon Williams; Albert William Winkley
Original assignee: Lucas Electrical Co Ltd
Current assignee: Lucas Electrical Co Ltd
Priority date: 1972-10-11
Filing date: 1973-10-08
Publication date: 1974-04-25
Also published as: FR2203200B1; US3868558A; AU6062873A; ZA737552B; FR2203200A1; IT994496B; JPS4972636A

Description

COHAUSZ & FLORACK

PATENTAN¹WALTSbURO 4 DÜSSELDORF SCHUMANNSTR. 97

PATENTANWÄLTE: Dipl.-Ing. W. COHAUSZ · Dipl.-Ing. W. FLORACK · Dipl.-Ing. R. KNAUF · Dr.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. A. GERBER

The Lucas Electrical Company Limited

Well Street

GB-Birmingham 5. Oktober 1975

Batterieladesystem und Spannungsregler für ein Batterieladesystem _t

Die Erfindung betrffft ein Batterieladesystem. und einen Spannungsregler für ein Batterieladesystem, insbesondere für Kraftfahrzeuge,

Zum einen besteht die Erfindung in einem Batterieladesystem mit einem Generator, der eine Batterie unter der Regler eines Spannungsreglers lädt, wobei der- Ladewert in Anschluß an einen Entladungszustand der Batterie eine Zeitlang erhöht wird.

Zum anderen besteht die Erfindung in einem Batterieladesystem, das gekennzeichnet ist durch einen die Batterie ladenden Generator, einen Spannungsregler zur Regelung des Ausgangs des Generators und zur Ermögliehung eines Ladens der Batterie auf einen ersten Sollwert, ein Meßnetzwerk zum Messen der iTettoentladung der Batterie und Mittel zur zeitweiligen Erhöhung der Spannung, mit der die Batterie geladen wird, vermittels des Meßnetzwerks bei einem Aufhören der Nettoentladung.

Torzugsweise wird die Fettoentladung der Batterie dadurch festgestellt, daß gemessen wird, wann der "Generator mit voller Leistung . arbeitet.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Generator um einen Wickelfeld-■ wechselstromgenerator, und bei dem Spannungsregler handdelt es sich um einen Sehalterregler, der den mittleren Stromfluß in der Feldwick-

27 406

Wa/Ti _ 2 -

lung des Wechselstromgenerator regelt, wobei das Meßnetzwerk feststellt, wann das "Impulstastverhältnis des Seglers unendlich ist, derart, daß violle Leistung an die Fel&raieklung angelegt wird.

Zum anderen besteht die Erfindung in einem Spannungsregler für ein Batterieladesystem, vrobei der Segler eine erste und eine zweite Eingangsleitung aufweist, zwischen denen die Spannung auf einem Sollwert gehalten werden soll, ferner eine ¥iderstandskette, die zwischen die Leitungen geschaltet ist, einen Eingangstransistor, der mit der ¥iderstandskette über eine Senerdiode gekoppelt ist, wobei der Singangstransistor leitet, wenn die Spannung zwischen den Singangsleitungen einen ersten Sollwert erreicht, einen zwischen eine der Ixngangsleitungen und einen AiisgangsansehluS geschalteten Ausgangstransistor, wobei die Feldwicklung eines Generators zwischen den Ausgangsanschluß und die andere Eingangsleitung geschaltet ist, und den Eingangstransisfor mit dem Ausgangstransistor koppelnde Mittel, derart, daß bei einem Leiten der Zenerdiods der Regler mit einem Impulstastverhältnis schmngt, das vom durch die Zenerdioede fließenden Ström bestimmt wird, wobei der Eegler ferner Mittel enthcält, die auf die Spannung an den. Ausgangsanschlüssen ansprechen, wenn die Zenerdiode nicht leitet, derart, daß die erforderliche Spannung zwischen den Stromleitungen zum erneuten Einschalten der Zenerdiode erhöht wird.

Die Erfindung ist besonders mit Batterieladesystemen für Kraftfahrzeuge befaßt, und bei solchen Systemen ist es üblich, die Ladespannung der Batterie in einem 12-YoIt-SjStem auf etwa 14» 2 YoIt einzustellen. Bei einer solchen Anordnung φζΜ es Fahrzustände, bei denen der Ausgang des Generators nicht ausreicht, um alle Lasten der Batterie zu versorgen, so daß eine Eettaentladung der Batterie erfolgt. Is ist nicht praktikabel, dieses !Problem durch Yorsehen eines größeren Generators zu lösen, und deshalb ist es erforderlich sicherzustellen, daß sich die Batterie schnell nach Abschluß der Hettoentladung erholt. Die Begrenzung, jedoch, hinsichtlich der Spanning auf die die Batterie geladen wird, bedingt eine Beschränkung in der E^holungszeit der Batterie, obgleich die Zeit natürlich erheblich

409817/0805

verkürzt werden konnte, indem die Spannung erhöht wird, auf die die Batterie geladen wird. 3ine permanente !rhöhung in der Ladespannung führt jedoch zu einem Yerlust von Elektrolyt und zu einem tiberladen der Batterie, was die Batterie beschädigen würde* Die Erfindung lost dieses Problem dadurch, daß die Laderate nur eine bestimmte Zeitlang erhöht wird, und zwar in Anschluß an eine xTettoentladung der Batterie.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand eines Schaltbilds in der Zeichnung näher erläutert, das ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt.

Gemäß der Zeichnung weist ein Kraftfahrzeug eine Dreiphasen-Vechs el stromlichtraasehine 11 auf, die Strom über zwei Sätze "Dioden 12,

13 an eine positive und negative Stromleitung 14 bzw. 15 liefert. Die Batterie 16 des Fahrzeugs ist zwischen die Leitungen 14 und. geschaltet, und die Leitung 15 ist an Masse angelegt. Die Wechselstromlichtmaschiiie liefert außerdem Gtrora über einen weiteren Satz Dioden 17 zu einer positiven Stromleitung 18, die mit der Leitung

14 über eine Zündungskontrollampe 19 und den Zündschalter 21 des Fahrzeugs in Seihe verbunden ist. Die Verbindung zwischen dem Zündschalter 21 und der Lampe 19 ist mit der Leitung 15 über zündungsgesteuerte Lasten 22 am !Fahrzeug verbunden.

In Seihe zwischen die Leitungen 18, 15 sind zwei Widerstände 23, geschaltet, deren Yerbindung über eine Zenerdiode 25 mit der Steuerelektrode eines n-p-n-Transistors 26 verbunden ist, dessen Emis- ' sionselektrode mit der Leitung 15 und dessen Kollektor über einen Widerstand 27 mit der Leitung 18 verbunden sind. Die Emissionselektrode und die Steuerelektrode des Transistors 26 sind über einen Widerstand 30 verbunden, und zwischen den Kollektor und die Steuerelektrode des Transistors 26 ist ein Kondensator 28 geschaltet, der eine jPunkstörung auf ein Minimum reduziert. Der Kollektor des Transistors 26 ist femer mit dar Steuerelektrode eines n-p-n-Transistors 29 verbunden, dessen Emissionselektrode mit der Steuerelektrode sines n-p-n-Transistors 31 verbunden ist, dessen Emissionselektrode mit der Leitung 15 verbunden ist. Die Kollektoren der Transistoren

409817/0805

29, 31 sind mit einem Anschluß 52 verbunden, der iait der Leitung 18 über die Feldwicklung 33 der Wechselstroinlichtmaschine gekoppelt ist. Die Eückleitdiode 34 ist zur Feldwicklung 33 parallelgeschaltet, und die Kollektoren der Transistoren 31 und 29 sind weiter mit der Steuerelektrode des Transistors 26 über einen Widerstand 35 iind einen Kondensator 36 in Heihe verbunden.

Der Anschluß 32 ist weiter über eine Diode 37 und einen Kondensator 38 in Reihe mit der Leitung 18 !verbunden. Zur Diode 37 ist ein Widerstand 39 parallelgeschaltet. Die Verbindung zwischen dem Kondensator 38 und der Diode 37 ist über eine Diode 41 mit der Steuerelektrode eines p-n-p-Transistors 42 verbunden, dessen Emissionselektrode mit der Leitung 18 und dessen Kollektor mit der Leitung 15 über einen Widerstand 45 verbunden sind, ferner über einen Widerstand 44 mit der Steuerelektrode eines n-p-n-Transistors 45· Der Transistor 45 ist mit seiner Emissionselektrode mit der Leitung 15 und mit seinem Kollektor über einen Widerstand 40 mit äer Yerbindung zwischen den Widerständen 23 und 24 verbunden, und der Steuerelektroden-Kollektorweg des Transistors 42 ist über einen Kondensator 46 verbunden.

Das System besteht im Prinzip aus der Lichtmaschine 11, die die Batterie 16 unter der Regelung des Spannungsreglers lädt, zu dem die Transistoren 26, 29 und 31 gehören. Die Transistoren 42 und modifizieren die Wirkung des Spannungsreglers, 'aber für den Augenblick wird die Funktion dieser Transistoren und der ihnen zugeordneten Bauteile außer acht gelassen.

Wenn der Zündschalter 21 zum erstenmal geschlossen wird, fließt Strom von der Batterie 16 über den Schalter 21, die Lampe 19 und den Spannungsregler zur Leitung 15» so daß die Lampe 19 brennt. Sobald die Weehselstromliehtmasehine 11 jedoch einen Ausgang erzeugt, wird die Spannung an der Leitung 18 im wesentlichen gleich der Spannung an öö? Leitung 14» und damit geht die Lampe 19 aus, und der Spannungsregler !wird über die Leitung .18 versorgt.

- 45 403817/0805

Die Spannung der Batterie 16 wird durch die Viderstandkette 23, 24 festgestellt, und obgleich diese Kette gemäS der Darstellung mit der Leitung 1?8 verbunden ist, kann sie in der Praxis direkt mit dem Pluspol der Batterie 16 verbunden sein. Venn die Batteriespannung unter einem Sollwert liegt, leitet die Zenerdiode 25 nicht, und der Transistor 26 ist ausgeschaltet, so daß die Transistoren 29 und 51 eingeschaltet sind und ein voller Feldstrom an die Wechselstromlichtmaschine angelegt wird. Über dem Sollwert jedoch leitet die Zenerdiode 25, um den Transistor 26 einzuschalten, wodurch Steuerelektrodenstrom von den Transistoren 29 und 31 weggenommen wird. Auf Grund des positiven Rückkopplungskreises über den Widerstand 55 und den Kondensator 56 schwingt der Spannungsregler zwischen einem Zustand, bei dem die Transistoren 31 und 29 eingeschaltet sind, und bei deia der Transistor 26 ausgeschaltet ist, und einem anderen Zustand, bei dem die Transistoren 31 und 29 ausgeschaltet sind und der Transistor 26 eingeschaltet ist. Wenn die Transistoren 3I und 29 ausgeschaltet sind, wird Energie, die in der Wicklung 33 gespeichert ist, über die Diode 34 abgeleitet, und damit hält die Schaltung einen mittleren Stromfluß in der Wicklung 33 aufrecht, der die Batteriespannung auf der gewünschten Höhe hält.

Solange die Wechselstromlichtmaschine 11 einen Ausgang erzeugt, der ausreicht, um den Anfroderungen der Zündungslasten 22 und anderer Lasten an der Batterie gerecht zu werden, hat die Batteriespannung einen solchen Wert, daß die Zenerdiode 25 leitet, und die geregelte Spannung wird durch den Strom bestimmt, der durch die Zenerdiode 25 fließt. Beispielsweise wird in einem 12_TYä:olt-System der Regler so eingestellt, daß ddie Batterie 16 mit 14,2 Volt geladen wird. Wenn jedoch zu irgendeinem Zeitpunkt der von dec Wechselstromlichtmaschine gelieferte Strom schwächer ist als angefordert, erfolgt eine ETettoentladung der Batterie 16, und unter diesen Umständen fällt die Spannung zwischen, den Leitungen 18, 15 auf einen solchen Wert, daß die Zenerdiode 25 nicht mehr leitet, und damit sind die Transistoren 29 und 3I voll eingeschaltet. Unter diesen Umständen wird die Wicklung 33 voll erregt, und der Regler kann·als mit einem unendlichen Impulstastverhältnis arbei-

409817/08Ό5

tend angesehen werden. Der Zweck der Transistoren 42 und 45 der ihnen zugeordneten Bauteile besteht darin, die ITettoentladung der Batterie festzustellen und die geregelte Spannung zu modifizieren, indem sie eine bestimmte Zeit lang erhöht wird, nachdem die Batterie eine Kettoentladung erfahren hat.

Im normalen Betrieb bei nicht entladender Batterie ist der Transistor 51 abwechselnd leitend und nicht leitend. ¥enn der Transistor leitet, fließt Strom von der Leitung 18 durch den Kondensator 58, den Widerstand 39 und den Transistor 31, um den Kondensator 38 zu laden. V:enn eich der Transistor 31 jedoch ausschaltet, entlädt sich der Kondensator 38 schnell durch die Diode 37· Die Anordnung ist eine solche, daß, solange die Zenerdiode 25 leitet, so daß der Regler schwingt, der Kondensator 38 sich niemals ausreichend auflädt, -um ein Einschalten des Transistors 42 zu ermöglichen. Unter diesen Umständen spielen die Transistoren 42 und 45 keine Rolle in der Funktion der Schaltung. Venn die Batterie jedoch eine ITett ο entladung erfährt, hart die Zenerdiode 25 zu leiten auf, wie vorstehend erläutert, und der Transistor 31 ist eine erhebliche Zeitlang eingeschaltet. Unter diesen Umständen leitet er, um ein ausreeichendes Aufladen des Kondensators 58 ^zu ermöglichen, so daß ein Stromfluß von der Steuerelektrode des Transistors 42 durch die Mode 41 und den Widerstand 39 ermöglicht wird. Dieser Strom besteht aus zwei Komponenten, nämlich dem Emissionselektroden-Steuerelektrodenstrom des Transistors 42 und dem Entladestrom des Kondensators 4b· Die Anordnung ist eine solche, daß die Spannung am Kollektor des Transistors 42 linear steigt, bis der Transistor 42 gesättigt ist, und bei diesem Punkt erfolgt auch eine Sättigung des Transistors 45· Sin Leiten des Transistors 45 führt zu einer Hodiefizierung des Widerstandswerts zwischen der Verbindung zwischen den Widerständen 23 und 24 und der Leitung 15» und zwar auf Grund des Widerstands 40» so daß die Spannung erhöht wird, auf die die Batterie aufgeladen wird, und zwar unter der Regelung des Spannungsreglers. Beispielsweise wird der 'iert von 14»2 Volt auf 1^8 Volt erhöht.

Ein Leiten des Transistors 45 tet keinen Einfluß auf die Funktion des

409817./080S " ^? "

Systeme, -solange die Batterie uocii entlädt, wenn-die 'Wechselstrom-* lichtmaschine jedoch die Batterie wieder zn laden beginnt, leitet die Zenerdiode 25 nicht "bei 14,2 YoIt, sondern "bei 14,8 YoIt auf Grund des Leitens der; Transistors 45· üev Transistor ;1 bleibt also leitend, via für eine volle Erregung der liechselstromlichtmaschine zu sorgen, bis die Spannung 14>8 Volt errcdcht. ¥enn die Zenerdiode 25 bei-14»8 YoIt leitet, wird der Transistor 31 ausgeschaltet, und der Begier schwingt in der üblichen Weise, fcobald sich der Transistor'3I aussöhaltet, trennt die Wirkung der Dioden 37 und-41 und des Kondensators 3-8 den Widerstand 39 vom Transistor 32, und bei diesem Punkt wird Bteuerelektrodenstrom an den Transistor 42 durch den Ladestrom des Kondensators 46 angelegt. Die Widerstände 59» 45 und 44 sind so gewählt, daß die Entladung des Kondensators 46 schnell erfolgt, /während die Aufladung relativ langsamer vonstattengeht. Die Transistoren 42, 45 werden also durch den Kondensator 4° eine bestimmte Zeitlang eingeschaltet gehalten. Während dieser Zeit ist · der Transistor 45 zunächst gesättigt, so daß die Batterie auf 14»8 YoIt geregelt wird, aber während- des späteren Teils der Zeitdauer fängt der Transistor 4-5 an, · aus der Sättigung herauszukommen, so daß eine Spannung allmählich von 14»8 YoIt auf den gewöhnlichen Wert von 14,2 Volt abnimmt. Beispielsweise ist der Wert des Widerstands 44 so gewählt, daß eine Sättigung des Transistors 45 bewirkt wird, wenn der Kondensator 46 etwa zu 50^ aufgeladen ist, -

Es versteht sich, daß die Transistoren 42 und 45 ^un^· ^i.e ihnen zugeordneten Bauteile ein Teil des Spannungsreglers sein können oder eine getrennte Einheit sein können, &ie mit dem Spannungsregler und dem Rest des Systems gekoppelt ist. Es ist im übrigen ziemlich einfach," einen vorhandenen Spannungsregler in den gezeigten Segler umzuwandeln, weil ein normaler Spannungsregler Anschlüsse hat, die den Leitungen 18 und 15 entsprechen, ferner einen Feldanschluß, der dem Anschluß 32 entspricht. Die dargestellte Anordnung kann natürlich in Verbindung mit einer TemperaturmeßvorriGhtung eilige-» setzt werden, und in diesem Falle ändert sich die geregelte Span- >·""-'" nung nicht nur mit der Temperatur unter der Regelung der Einrich- tung, sondern auch mit dem Zustand der Batterie 16 in der vorstehend erläuterten Weise.

„ 8 -

Es ist nicht entscheidend, daß die Fettοentladung der Batterie in der dargestellten Weise gemessen wird. Beispielsweise kann der Stroinfluß zur Batterie gemessen und mit dem Stromfluß von der Batterie verglichen werden, um anzuzeigen, wann die Batter entlädt. Alternativ können Mittel vorgesehen sein, um festzustellen, wann die Systemspannung unter deie Reglereinstellung fällt, um anschließend die Regelereinsteilung zu erhöhen. Gegebenenfalls kann die Zeit, während der die Entladung erfolgt, gemessen und benutzt werden, um die Zeit zu beeinflussen, während der das erhöhte Laden ermöglicht wird. Es muß jedoch Sorgfalt dabei ausgeübt werden sicherzustellen, daß die Batterie nicht überladen wird.

In der beschriebenen Anordnung wird in Anschluß an eine Nettoentladung der Batterie die Reglereinstellnng erhöht, und die Batterie wird auf den erhöhten Wert geladen, und zwar eine bestimmte Zeitlang, auf Grund des Kondensators 46.

Ansprüche

40 9 817/0805

Claims

Ansprüche

M. jBatterieladesystem mit einem Gernator, der eine Batterie unter der Regelung eines Spannungsreglers lädt, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladewert in Anschluß an einen Entladungszustand der Batterie eine Zeitlang erhöht wird.
2. Batterieladesystem mit einem die Batterie ladenden Generator und einem den Ausgang des Generators regelnden Spannungsregler, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsregler ein Aufladen der Batterie bis zu .einem ersten Sollwert .ermöglicht und daß ein Meßnetzwerk zum Hessen der Nettoentladung der Batterie und Mittel zur zeitweiligen Erhöhung- der Spannung, mit der die Batterie geladen wird, vermittels des Meßnetzwerks bei einem Aufhören der Nettoentladung vorgesehen sind. "- -
3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nettoentladung der Batterie dadurch festgestellt wird, daß gemessen w.ird, wann der Generator mit voller Leistung arbeitet.
4. System nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Generator um einen Wickelfeldwechselstromgenerator handelt und daß es sich bei dem Spannungsregler um einen Schaltregler handelt, der den mittleren Stromfluß in der Feldwicklung des Wechelstromgenerators regelt, wobei das Meßnetzwerk feststellt, wann das Impulstastverhältnis des Reglers unendlich ist, derart, daß volle Leistung an die Feldwicklung angelegt wird.
5· System nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet!, daß das Meßnetzwerk einen Kondensator enthält, der abwechselnd durch den Schaltregler geladen und entladen wird, außer wenn das Impulstastverhältnis unendlich ist, bei dem der Kondensator eine Schaltanordnung in Funktion setzt, derart, daß die Spannung eine bestimmte Zeitlang erhöht wird, »auf die die Batterie aufgeladen wird.
6. System nach. Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßnetz-

27 406

Wa/Ti ■ ■ ' · - 2 -

409817/0805

AQ

werk den von der Batterie fließenden Strom mit dem zur Batterie fließenden Strom zum Feststellen eines Entladens der Batterie vergleicht.
7. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßnetzwerk feststellt, wann die Systemspannung unter die Reglereinstellung fällt, und dann die Reglereinstellung erhöht.
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit, während der das Entladen erfolgt, gemessen und zum Regeln der Zeitdauer verwendet wird, während der der Ladewert erhöht wird.
9. Spannungsregler für ein Batterieladesystem, wobei der Regler eine ersete und eine zweite Eingangsleitung aufweist, zwischen denen die Spannung auf einem Sollwert zu halten ist, gekennzeichnet durch eine V/iderstandskette, die zwischen die Leitungen geschaltet ist, einen Singangstransistor, der mit der ¥iderstandskette über eine Zenerdiode gekoppelt ist, wobei der Eingangstransistor leitet, wenn die Spannung zwischen den Eingangsleitungen einen ersten Sollwert erreicht, einen zwischen eine der Eingangsleitungen und einen Ausgangsanschluß geschalteten Ausgangstransistor, wobei die Feldwicklung eines Generators zwischen den Ausgangsanschluß und die andere Eingangs leitung geschaltet ist, und den Eingangstransistor mit dem Ausgangstransistor koppelnde Mittel, derart, daß bei einem Leiten der Zenerdiode der Regler mit einem Impulstastverhältnis schwingt, das vom durch die Zenerdiode fließenden Strom bestimmt wird, wobei der Regler ferner Mittel enthält, die auf die Spannung an den Ausgangsanschlüßssen ansprechen, wenn die Zenerdiode nicht leitet, derart, daß die erforderliehe Spannung zwischen den Stromleitungen zum erneuten Einschalten der Zenerdiode erhöht wird.

409817/080$