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Laden von Batterien Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Schaltungsanordnung ftir ein Laden von Batterien und ist insbesondere geeignet
ur ein vollständiges Laden von Säurebatterien in einer relativ kurzen Zeit. Eine
Wiederaufladung von Akkumulatoren in unterschiedlichem Maße und in unterschiedlichen
Zeitintervallen läßt sich durch verschiedene Verfahren und Schaltkreise durchführen.
Es bestehen jedoch praktische Grenzwerte für die Wiederaufladezeit von Akkumulatoren.
Es sei beispielsweise angenommen, daß eine Säurebatterie zur Energieversorgung eines
Golfwagens vorgesehen ist. Eine derartige Batterie wird typischerweise von den verschiedenen
Herstellern derart ausgelegt, daß sie eine Kapazität zwischen 190 bis 220 Amperestunden
aufweist. Die Auslegung wird dadurch erreicht, daß man die Elektrizitätsmenge festlegt,
welche die Batterie bei ihrer Entladung mit einem bestimmten Nennentladestrom abgeben
kann, bis die Klemmspannung der Batterie eine bestimmte Endspannung erreicht, wobei
sie innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs arbeitet. Die Kapazitätsauslegung
der Batterie wird im allgemeinen in Amperestunden ur ein bestimmtes Entladeintervall
festgelegt. So tAbpNs;e ise die Batteriekapazität
eines Golfwangens
für einen 20-stündigen Nennentladestrom festgelegt. Der 20-stündige Nennentladestrom
für eine 220 Amperestunden-)6-Volt-Batterie, welche für eine Verwendung im Golfwagen
ausgelegt ist, beträgt somit 11 Ampere.
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Es sind Ladegeräte erhältlich, die einen- Ladestrom anlegen, der
über dem Nennentladestrom der Batterie liegt, der von dem Hersteller bei der Auslegung
der Batterie zugrundegelegt wird. Zu diesen Ladegeräten gehören sogenannte "Ziwschenladungs-Ladegeräte"
(booster chargers), "StuSenladegerätel' (taper chargers), Ladegeräte mit konstantem
Strom und Ladegeräte mit konstanter Spannung. Die Zwischenladungs-Ladegeräte sind
typischerweise derart ausgebildet, daß sie einen großen Ladestrom für ein kurzes
Zeitintervall und anschließend einen reduzierten Ladestrom liefern.
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Stufenladegeräte verwenden andererseits einen hohen Aufladestrom
(rate charge), bis eine überwachte Kennlinie der Batterie, wie die Klemmspannung
oder das Gasen, einen bestimmten Wert erreicht, worauf der Aufladestrom we-sentlich
reduziert wird. Bei derartigen Ladegeräten ist es üblich, kontinuierlich den Aufladestrom
abzusenken, nachdem eine bestimmte Größe der überwachten Kennlinie erreicht ist,
um die sogenannte Stufenaufladung zu ermöglichen.
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Diese genannten Ladegeräte bewirken, ganz allgemein gesprochen, keine
hundertprozentige Aufladung mit dem hohen Ladestrom, sie verwenden vielmehr eine
ausgedehnte Anwendung eines niedrigeren Aufladestromes, wenn versucht wird, die
gesamte aus der Batterie entnommene Energie zu ersetzen, Trotzdem ersetzen die meisten
Ladegeräte nicht 100 der entnommenen Energie. Diejenigen Geräte, welche eine hundertprozentige
Wiederaufladung vornehmen, sind entweder relativ teuer oder sie benötigen für den
Aufladevorgang eine sehr lange Zeit.
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Für eine Batterie in einem Golfwagen steht lediglich eine Zeitdauer
von 12 Stunden zur Verfügung, innerhalb der ein AuSladeprogramm beendet sein muß.
In ähnlicher Weise haben auch Batterien, welche industriell verwendete Karren, Gabelstapler
und Bodenreinigungsgeräte versorgen, lediglich eine
begrenzte Zeitdauer
für die Wiederaufladung zur Verfügung.
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Einige Ladegeräte können die Batterie in dieser begrenzten Zeit wieder
aufladen, sie lassen jedoch keine Zeit übrig für die Anwendung einer Pufferladung.
Es ist bekannt, daß eine Pufferladung sich dahingehend günstig auswirkt, als sie
beispielsweise einen Abgleich zwischen den Zellen einer Batterie bewirkt, so daß
es erwünscht ist, daß ein Ladeprogramm auch einen Zeitraum aufweist, in dem eine
Puffer~ ladung durchgeführt wird.
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Wenn eine Aufladung von Säurebatterien erfolgt,'besteht darUber hinaus
die Möglichkeit, daß die Platten bei der Verwendung von einigen kommerziell erhältlichen
Ladegeräten beschädigt werden, da unterschiedliche Säuregrade des Elektrolyten an
dessen Oberfläche und an dessen Boden herrschen.
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So hat beispielsweise der'Elektrolyt einer Automobilbatterie einen
typischen Wichtewert zwischen 1,260 bis 1,280, wenn die Batterie voll geladen ist.
Es zeigte sich, daß am Ende der Aufladung mittels eines Stufenaufladegeräts das
spezifische Gewicht des Elektrolyten einen Wert von 1,220 nahe der Oberfläche des
Elektrolyten aufweist. Nach einer Durchmischung des Elektrolyten, die bewirkt, daß
sich der Elektrolyt an der Oberfläche und am Boden der Batterie vermischt, mißt
man ein spezifisches Gaidztvon 1,270 nahe der Oberfläche. Das spezifische Gewicht
am Boden der Batterie muß daher während des Ladevorgangs über 1,270 gelegen haben.
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Es ist bekannt, daß jedw spezifische Gewicht oberhalb von 1,500 zu
einer wesentlichen Beschädigung der Batterie führt, indem sie die Scheider und das
Material des'positiven Gitters zerstört und indem sie eine Sulfatierung oder Inaktivierung
des negativen Plattenmaterials hervorruft.
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Dies kann man auf Seite 130 des Textes mit dem Titel "Storage Batterien
1?> John Wiley and Sons, Inc., 4. Ausgabe, von Vinal, lesen. Das zu hohe spezifische
Gewicht, das sm Boden der Batterie während des Aufladevorgangs mit einem der kommerziell
erhältlichen Ladegeräte für die Aufladung
von Säurebatterien entsteht,
läßt sich bei einigen Ladegeräten vermeiden, indem Luftblasen durch den Elektrolyt
während der Aufladung hindurchgeleitet werden, um diesen zu durchmischen. Hierzu
benötigt man jedoch eine zusätzliche Ausrüstung, welche die Kosten für das Ladegerät
wesentlich anwachsen'läßt.
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Die Nachteile einer unvollständigen Auf ladung, das Fehlen einer
Zeitdauer für eine -Pufferladung und ein zu hoh spezifischs Gicht des Elektrolyten,
wie er sich nahe am Scheider und an den Platten am Boden der Zellen während des
Aufladevorgangs entwickelt, sollen durch das erfindungsgemäße Ladeverfahren und
die dazugehörige Schaltung vermieden werden.
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Die Aufladung von Batterien erfolgt erfindungsgemäß durch Anlegen
eines Ladestroms während eines ersten Zeitintervalles, durch Überwachung einer mit
zunehmender Ladung sich ändernden Batteriekennlinie und nach Erhaltung eines vorbestimmten
Wertes für die überwachte Kennlinie durch weitere Anwendung von Ladestrom über ein
zweites Zeitintervall. Das zweite Zeitintervall kann so vorausbestimmt werden, daß
ein bestimmtes Überladen stattfindet, es kann jedoch auch variabel, abhängig von
der Dauer des ersten Zeitintervalls, gehalten werden. Der Aufladestrom des zweiten
Zeitintervalls ist vorzugsweise derart gewählt, daß er ausreicht, um eine Mischung
des Elektrolyten durch das erzeugte Gas zu bewirken. Des weiteren kann gemäß dem
Verfahren nach der vorliegenden Erfindung der vorher ausgewählte Wert der überwachten
Kennlinie vorzugsweise der Punkt sein, an dem die Batterie fest zu gasen beginnt
(hard gassing point). Der anschließend*fr ein bestimmtes Zeitintervall verwendete
Ladestrom liegt mit einem Potentialwert an, der größer ist als das Zersetzungspotential
des Elektrolyten.
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Am Ende des zweiten Zeitintervalls kann die Batterie vorzugsweise
weiter geladen und abgeglichen werden, durch die Anwendung eines Pufferladungsstromes.
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Es ist wünschenswert, eine Uberladung der Batterie mit beispielsweise
25 ffi der Energie, die während des Entladevorgangs entnommen wurde, durchzuführen.
Zu diesem Zwecke wird die anfängliche Anwendung des Ladestroms für ein Zeit intervall
abhångig vom Ladezustand der Batterie gewählt. Dieses Zeitintervall wird von der
Zeit bestimmt, die benötigt wird, bis man den im voraus ausgewählten Wert für die
überwachte Kennlinie erhalten hat. Anschließend wird ein bestimmter Ladestrom für
ein zweites Zeitintervall angelegt, welches in Beziehung zu dem ersten Zeitintervall
steht, wobei diese Beziehung vorteilhafterweise dadurch festgelegt ist, daß dieser
Zeitraum ein Viertel des ersten Zeitintervalls beträgt. Auf diese Weise wird das
erwünschte Überladen um beispielsweise 25 % bewirkt.
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Zur Aufladung der Batterie in einer annehmbaren Zeit wird der Aufladestrom
vorteilhafterweise so gewählt, daß er über dem nominalen Entladestrom der Batteriezellen
liegt. Der nominale Entladestrom der Batteriezellen wird dadurch festgelegt, daß
man die von dem Hersteller festgelegte Abgabekapazität der Batterie durch die Anzahl
von Stunden dividiert, während der für diese Auslegung eine Entladung erfolgt.
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Der Ladestrom wird jedoch in erster Linie von den Kosten der Bauteile
und der zu verwendenden Stromquelle bestimmt.
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Wenn beispielsweise die Stromquelle ein Wandstecker ist, an dem 15
Ampere anliegen, wenn die Komponenten in einem bestimmten Preisbereich liegen und
wenn ein Überhitzen dieser Komponenten vermieden werden soll, begrenzt man den Ladestrom
auf 25 Ampere, was annähernd das 2,5-fache des nominalen Entladestromes für eine
220 Ampere-Stunden-Golfwagenbatterie ist, die ur einen 20-stündigen Entladebetrieb
ausgelegt ist.
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Der bei der Erfindung verwendete Schaltkreis enthält eine Ladestromquelle,
welche mit der zu ladenden Batterie verbunden ist, einen Schaltkreis zur Überwachung
einer Kennlinie der Batterie, die sich mit zunehmender Ladung verändert, einen Schaltkreis
zur Erzeugung eines Steuersignals am Ende eines im voraus ausgewählten zweiten Zeitintervalls,
nachdem ein im voraus bestimmter Wert für den überwachten Kennwert während des ersten
Zeitintervalls erhalten ist, sowie einen Schaltkreis, der auf das Steuersignal anspricht,
um die Ladung der Batterie zu beenden oder um den Ladestrom auf das Niveau einer
Pufferladung zu erniedrigen.
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Das zweite Intervall kann in alternativer Weise von der Länge des
ersten Intervalls abhängen, indem man in den Ladestrom kreis eine Einrichtung einbringt,
welche die Länge des ersten Zeitintervalls feststellt und die Länge lür das zweite
Zeitintervall festsetzt.
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Die Ladestromquelle kann eine Gleichstromquelle oder eine Gleichspannungsquelle
sein. Wenn man eine Gleichstromquelle verwendet, kann vorteilhafterweise eine Schalteinrichtung
in dem Stromweg zwischen der Quelle und der Batterie eingefügt sein, mit einer Einrichtung
zur Überwachung der Ladastromgröße, sowie eine Einrichtung zur Steuerung des Leitfähigkeitszustands
der Schalteinrichtung im Ansprechen auf den Ausgang der Überwachungseinrichtung,
um den Wert des Ladestroms konstant zu halten. Die Schalteinrichtung kann ein Transistorschalter
sein, dessen relative Einschaltdauer entsprechend der Größe des Ladungsstroms gesteuert
wird. In alternativer Ausführungsform kann die Schalteinrichtung ein siliziumgesteuerter
Gleichrichter sein, der im Ansprechen auf die Größe des Ladungsstroms seine Steuerung
des Phasenwinkels zwischen 0° und 1800 von einer oder beiden Halbwellen einer Wechselstromspannungsquelle
erfährt.
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Die Steuerschaltung für einen Schalttransistor enthält vorteilhafterweise
einen monostabilen Multivibrator, der einen unstabilen Zustand variabler Dauer aufweist,
in Abhängigkeit von der Größe des Ladestroms, wobei der unstabile Zustand in seiner
Dauer für Ladeströme reduziert wird, die oberhalb einer bestimmten Größe liegen,
und in seiner Dauer anwächst für Ladeströme, die unterhalb einer bestimmten Größe
liegen, wobei die Zeit, in der der Schalttransistor seine I?Ein11 Stellung einnimmt,
dem unstabilen Zustand des Multivibrators entspricht.
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Die Steuerschaltung für den siliziumgesteuerten Gleichrichter enthält
vorteilhafterweise einen Kippgenerator, der eine Doppelbasisdiode als aktives Element
enthält, mit einem variablen Widerstand in der Emitterschaltung zur Steuerung des
Zündpunktes der Doppelbasisdiode, um das Ausblenden des siliziumgesteuerten Gleichrichters
zu steuern. Der variable Widerstand kann vorteilhafterweise eine Transistorschaltung
enthalten, welche auf die Größe des Ladestroms anspricht Ein Schaltkreis für eine
Feststellung von einem im voraus bestimmten Kennwert der zu ladenden Batterie, insbesondere
der Batterieklemmspannung, enthält eine oder mehrere Zenerdioden, die in Reihe mit
einem Potentiometer verbunden sind.
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Ein erster siliziumgesteuerter Gleichrichter ist so geschaltet, daß
er auf einen vorbestimmten Wert der überwachten Kennlinie anspricht. Die Anode des
ersten siliziumgesteuerten Gleichrichters ist über einen Widerstand mit der positiven
Seite der zu ladenden Batterie verbunden, während die Kathode mit der negativen
Seite verbunden ist, wobei beide am Bezugs Bezugswertpotential, d.h. an Erde anliegen.
Das Tor des ersten siliziumgesteuerten Gleichrichters ist mit dem variablen Arm
des Potentiometers verbunden. Die Basis eines Transistorschalters ist zwischen dem
Widerstand und der Anode des
ersten siliziumgesteuerten Gleichrichters
eingefügt und spricht auf den Leitfähigkeitszustand des ersten siliziumgesteuerten
Gleichrichters an. Der Transistorgeschalter ist geschlossen, d.h., der Transistor-leitet,
während der erste siliziumgesteuerte Gleichrichter im nicht leitfähigen Zustand
ist.
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Das eingestellte Zeitintervall des Ladeprogramms hängt von der Dauer
des ersten Aufladezeitraums ab, indem eine oder mehrere zu ladende Zellen während
des ersten Zeitraums verwendet werden. Die Zeit der Entladung bis zu einer bestimmten
Spannung legt dann die Zeit des zweiten Zeitabschnitts fest, wobei die Entladezeit
von dem Ladungszustand abhängt, welcher seinerseits von der Dauer des ersten Zeitraums
abhängig ist. Die Zelle wird über den ersten Transistorschaltkreis von einem --Strombegrenzungswiderstand
mit der positiven Seite der zu ladenden Batterie verbunden. Die Zelle ist'auch über
eine Sperrdiode mit der Basis des anderen Transistors verbunden, der in seinem leitenden
Zustand unter der Vorspannung der zu ladenden Zelle steht und der in diesem Zustand
gehalten wird, bis die Zellenspannung unter den Wert abfällt, der notwendig ist,
um die Sperrdiode und den Transistor in Vorwärtsrichtung zu betreiben. Dieser zweite
Transistor ist zwischen dem Tor und der Kathode eines zweiten siliziumgesteuerten
Gleichrichters eingefügt, welcher in der Steuerschaltung des siliziumgesteuerten
Gleichrichters oder Schalttransistors verbunden ist, welcher die Zuführung des Ladestroms
zu der Batterie steuert, welche geladen wird. Bei dem Vorwärtsbetreiben des zweiten
siliziumgesteuerten Gleichrichters wird, wenn eine Beendigung des zweiten Intervalls
durch das Entladen der Zelle unterhalb des Wertes, der den zweiten Transistor leitend
hält, stattgefunden hat, an eine Stelle innerhalb der Kipposzillatorschaltung ein
Erdpotential angelegt, welche eine Regelung des Regel-siliziumgesteuerten Gleichrichters
vornimmt, um den siliziumgesteuerten Gleichrichter
im Pufferbetrieb
zu halten. Alternativ wird Erdpotential an einem Punkt innerhalb des Multivibrators
angelegt, um die Zeitdauer des instabilen Zustands auf eine Bedingung für den Pufferbetrieb
zu reduzieren.
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Das Ladegerät erhält eine Temperaturkompensation durch einen Thermistor,
der zwischen das Potentiometer und das Tor des ersten siliziumgesteuerten Gleichrichters
eingeschaltet ist. Ein Widerstand ist zwischen dem Tor und der Erdung eingefügt,
um im Zusammenwirken mit dem Thermistor einen Spannungsteiler zu bilden. Der Thermistor,
der einen negativen Temperaturkoeffizient aufweist, ist im thermischem Kontakt mit
den Zenerdioden angeordnet, die einen positiven Temperaturkoeffizient haben, um
den ersten siliziumgesteuerten Gleichrichter auf eine ausgewählte Spannung ansprechen
zu lassen, unabhängig von der Umgebungstemperatur des Ladegeräts oder der Batterie.
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Ein erster Handschalter ist zwischen einer Spannungsquelle und dem
Tor des ersten siliziumgesteuerten Gleichrichters angebracht. Weiterhin ist ein
zweiter Handschalter mechanisch mit dem ersten Schalter gekoppelt, der zwischen
einer Spannungsquelle und dem Tor des zweiten siliziumgesteuerten Gleichrichters
eingefügt ist, so daß auf ein Schließen der Schalter das Ladegerät manuell auf Pufferbetrieb
geschaltet werden kann.
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Obige und weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der
beiliegenden Zeichnung ersichtlich.
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Fig. 1 zeigt eine Schar von Kurven, welche die Anderung von drei
Kennlinien einer Säurebatterie bei dem Ladevorgang wiedergeben, sowie eine Kurve
des Ladestroms, welche dem Verständnis der vorliegenden Erfindung dienen.
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Fig. 2 zeigt ein schematisches Diagramm von einer Batterieladeschaltung
gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 3 zeigt eine zeitabhängige Darstellung der Spannungswellenformen
an verschiedenen Stellen der Schaltung von Fig, 2 zum Verständnis der Arbeitsweise
der Schaltung.
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Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung von einer anderen Ausführungsform
einer Batterieladeschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer siliziumgesteuerten
Gleichrichter-Regelschaltung, die vorteilhaSterweise in der Ladeschaltung von Fig.
4 Verwendung findet.
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Fig. 6A, 6B, 6C und 6D sind zeitabhängige Darstellungen der Spannungswellenformen
an verschiedenen Stellen der in Fig. 5 gezeigten Schaltung zum Verständnis des Betriebsdieser
Schaltung.
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Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung von einer Schaltung für
ein Anlegen-eines Ladestroms für einen eingestellten Zeitraum gemäß der vorliegenden
Erfindung, die mit den Ladeschaltungen von Fig. 2 und Fig. 4 verwendet werden kann.
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Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltung zur Anlegung
eines Ladestroms über einen zweiten Zeitraum, unabhängig von der Dauer des ersten
Zeitraums gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Sekundärelemente oder wiederaufladbare Zellen können durch eine Vielzahl
von verschiedenen Verfahren und durch eine Vielzahl von verschiedenen Batterieladegeräten
wieder aufgeladen werden. Das Angebot dieser Ladegeräte ist außerordentlichbreitund
kann von relativ unwirksamen groben und billigen Ladegeräten bis zu hochwirksamen,
hochentwickelten und teuren Ladegeräten reichen. Die Ladeverfahren können die Anwendung
von Gleichströmen für ausgewählte Zeitintervalle, die Anwendung von pulsierenden
Gleichströmen oder das wirksamere Verfahren einer intermittierenden Entladung oder
Depolarisierung während des Ladeprogramms enthalten,
wie dies in
den US-PS 3 517 293, 3 614 583 und 3 609 503 beschrieben ist. Oft ist es wünschenswert,
die Batterien von der handelsüblichen 110 Volt-Spannungsquelle aufzuladen, die an
einem Wandstecker erhältlich ist. Es ist auch erwünscht, daß die Ladegeräte die
Batterie in möglichst kurzer Zeit bei möglichst geringen Kosten aufladen.
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Das Verfahren und die Schaltung zur Aufladung von Batterien gemäß
der vorliegenden Erfindung weist viele dieser erwünschten Eigenschaften auf. Das
erfindungsgemäße Verfahren enthält die Anwendung eines Ladestroms auf die zu ladende
Batterie, wobei dieser Strom ein kontinuierlicher Gleichstrom oder eip pulsierender
Gleichstrom sein kann und eine genügende Ladefähigkeit aufweist, um zu bewirken,
daß sich die während des Ladevorgangs veränderlichenKennlinien ändern und den Ladezustand
anzeigen. Zwei derartige Kennlinien,die während des Ladevorgangs von Batterien sich
ändern, sind das Gasen der Zellen und die Klemmspannung der Batterie. Das Gasen
der Zellen tritt im allgemeinen in einer Säurebatterie bei dem Zersetzungspotential
des in der Zelle befindlichen Elektrolyten auf. Das Zersetzungspotential kann als
die Zellspannung festgelegt sein, bei der das Wasser im Elektrolyten in Wasserstoff
und Sauerstoff zersetzt wird. Diese Spannung ändert sich mit den verschiedenen in
der Zelle verwendeten Metallen. Für einen Bleiakkumulator- liegt dieses Zersetzungspotential
irgendwo zwischen 2,3 und 2,4 Volt pro Zelle. Das Gasen in Säurebatterien ist in
dem Text von Vinyl auf den Seiten 261 bis 263 beschrieben.
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Ein markanter Punkt in der Aufladung von Säurebatterien ist der Punkt,
an dem ein festes Gasen einsetzt. Dieser Punkt kann auf die Zellenspannung festgelegt
werden, bei der Wasserstoff und Sauerstoff in stöchiometrischen Mengen freigesetzt
werden. In einer Säurebatterie beträgt diese Spannung annähernd 2,50 Volt pro Zelle.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vorteilhafterweise eine
dieser Kennlinien der Batterie überwacht, wobei am Ende eines ausgewählten Zeitintervalls
oder sobald d überwachte Kennlinie einen im voraus ausgewählten Wert erhält, ein
zweites Ladeintervall begonnen wird, Dieses zweite Ladeintervall kann von fester
Dauer sein und mit demselben Ladeniveau wie vorher durchgeführt werden, es kann
aber auch oberhalb oder unterhalb dieses Niveaus liegen. Alternativ hierzu kann
das zweite Ladeintervall direkt von der Dauer des ersten Intervalls abhängig gewählt
werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren soll an einem erläuternden Beispiel,
das jedoch nicht als Einschränkung verstanden werden soll, anhand von Figur 1 beschrieben
werden. Fig. 1 zeigt Kurven für eine Säurebatterie mit 56 Volt, 18 Zellen und 220
Amperestunden, die für die Verwendung in einem Golfwagen ausgelegt ist, Drei Kennliniendieser
Batterie sind in Figur 1 dargestellt, wobei Kurve A das spezifische Gewicht Kurve
B die Temperatur und Kurve C die Klemmspannung wiedergibt.
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Neben diesen drei Kurven für drei Kennwerte der Batterie ist in Kurve
D von Figur 1 ferner der Ladestrom aufgetragen.
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Eine 56 Volt-Batterie, die für eine Verwendung in einem Golfwagen
ausgelegt ist, weist eine Endspannung von ungefähr 51,5 Volt auf, wenn sie bis zu
dem Punkt entladen ist, an dem sie nicht mehr die Energieversorgung des Golfwagens
gewährleisten kann. Diese Spannung ist als Ausgangspunkt für den Ladevorgang der
Batterie in Fig. 1 genommen.
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Bei der Herstellung der in Fig. 1 gezeigten Kurven wurde eine konstante
Stromquelle verwendet, welche einen Ladestrom von 25 Ampere lieferte, der im wesentlichen
über das gesamte Ladeprogramm konstant war. Das spezifische Gewicht der entladenen
Batterie wurde mit annähernd 1,100 gemessen, wie dies aus Kurve A von Fig. 1 hervorgeht.
Das Ladeprogramm wurde begonnen, wobei sich die Batterie im wesentlichen auf Zimmertemperatur
oder
annähernd 2200 befand, wie dies in der Kurve B in Fig. 1 gezeigt ist. Während die
25 Ampere an die Batterie angelegt wurden, erfolgte eine Überwachung der Klemmspannung
der Batterie. Wenn die Klemmspannung annähernd 2,5 Volt pro Zelle oder 45 Volt für
die 56 Volt-Säurebatterie erreicht hatte, wurde ein eingestelltes Ladeintervall
begonnen. An dem 45 Voltpunkt wurden im wesentlichen 100 % der von der Batterie
entfernten Energie ersetzt.
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Es ist anschließend erwünscht, die Batterie zu überladen.
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Die Uberladung für die im Ladevorgang befindliche Batterie betrug
bei den in Fig. 1 gezeigten Kurven annähernd 12 ffi der Kapazität, für welche die
Batterie ausgelegt ist. Für eine 220 Amperestunden-Batterie wird daher der Ladestrom
von 25 Ampere für annähernd 1 1/2 Stunden weiter aufrechterhalten. Am Ende dieses
Zeitintervalls wird der Ladestrom auf ein Pufferladungsniveau erniedrigt, der im
Falle der 36 Volt-Säurebatterie für die Verwendung in einem Golfwagen weniger als
1/2 Ampere beträgt.
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Während des festen Ladeintervalls weist der Aufladestrom vorteilhafterweise
eine Größe auf, die ausreicht, um ein Gasen hervorzurufen, welches den Elektrolyten
durchmischt, um einen schädlichen Unterschied zwischen dem spezifischen Gewicht
an der Oberfläche und am Boden des glektrolyten zu vermeiden und damit möglicherweise
auftretende Schäden an dem Scheider und den Platten zu verhindern.
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Durch den 25 Ampere-Ladestrom erfolgt eine Aufladung einer 36 Volt-220-Amperestunden-Golfwagenbatterie,
welche die in Fig. 1 dargestellten Kennlinien hat, auf über 100 % ihrer Kapazität
in weniger als 6 Stunden. Die Batterie kann daher, wenn die Intervalle zwischen
ihrer Benutzung 12 Stunden betragen, für wenigstens 6 Stunden in dem Zustand einer
Pufferladung bleiben, wobei diese Pufferladung den Abgleich der Zellen in der Batterie
verbessert.
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Eine Schaltung zur Aufladung der Batterien gemäß der vorliegenden
Erfindung ist schematisch in Fig. 2 dargestellt.
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Die Schaltung enthält eine Quelle 10, welche eine handelsübliche 110
Volt-Quelle sein kann, die an einem Wandstecker erhältlich ist. Das Ladegerät enthält
einen Transformator 11 zur Herstellung der erwünschten Spannung für die zu ladende
Batterie und einen Gleichrichter 12, um die Wechselspannung in eine pulsierende
Gleichspannung umzuformen. Der Ausgang des Zweiwegegleichrichters 12 ist mit einer
Batterie 15 verbunden, die geladen werden rollo Der positive Anschluß der Batterie
15 ist mit der positiven Seite des Zweiwegegleiohrichters 12 verbunden. Der Gleichrichter
12 enthält ein Paar Gleichrichterelemente 16 und 17, welche einen gemeinsamen Anschluß
aufweisen, der mit dem positiven Ausgang des Gleichrichters 12 verbunden ist. Die
anderen Anschlüsse der Gleichrichtungselemente 16 und 17 sind mit entgegengesetzten
Enden einer Mittelanzapfung der Sekundärwicklung 18 des Transformators 11 verbunden.
Die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung 18 ist geerdet. Der negative Anschluß der
Batterie 15 ist über eine Induktivität 19, einen regulierbaren Schalter 20 und ein
Strommeßelement 21 mit der Erde verbunden, um den Ladungsweg fertigzustellen.
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In dem in Fig. 2 dargestellten Ladegerät ist der regelbare Schalter
20 ain Transistor 22, dessen Kollektor-Emitter-Strompfad in den Ladungsstrompfad
der Batterie 15 eingesetzt ist. Das Strommeßelement ist ein Widerstand 21, zu dem
sich parallel eine Spannung ausbildet, welche den Ladestrom wiedergibt, Diese Spannung
ist über einen Verstärker 25 mit einer Steuerschaltung 24 verbunden. Die Steuerschaltung
24 steuert die relative -Einschaltdauer des Schalttransistors 22. Eine getrennte
Spannungsquelle ist für den Verstärker 27 und die Steuerschaltung 24 vorgesehen,
sie wird über eine zweite Sekundärwicklung 25 des Transformators 11 und einen Zweiwege-Brückengleichrichter
26 gebildet, der parallel zur Sekundärwicklung 25 anliegt.
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Die positive Spannung am Ausgang des Gleichrichters 26 wird einem
Spannungsteiler zugeführt, der aus einer Diode 27, einem Widerstand 28 und einer
Zenerdiode 29 besteht, welche in Serie geschaltet sind. Erläuterungshalber sei angenommen,
daß die Batterie 15 eine 36 Volt-220 Amperestunden-Säure batterie mit 18 Zellen
ist, welche für eine Verwendung in einem Golfwagen ausgelegt ist. Der 20-stündigeEntladestrom
der Batterie 15 beträgt annähernd 11 Ampere und wird im folgenden als Nominalentladestrom
dieser speziellen Batterie bezeichnet.
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Für diese Säurebatterie beträgt die Spitzenspannung am Ausgang des
Gleichrichters 12 vorteilhafterweise 70 Volt.
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Für die Steuerschaltung 24 und den Verstärker 23 beträgt fzie Spitzenspannung
am Ausgang des Verstärkers 26 vorteilhafterweise 25 1/2 Volt. Bei Verwendung einer
Spitzenspannung von 25 1/2 Volt am Ausgang des Gleichrichters 26 und bei einer Verwendung
einer 12 Volt-Zenerspannung für die Zenerdiode 29 erscheint eine geregelte Spannung
von 12 Volt zwischen dem Widerstand 28 und der Diode 29. Diese Spannung wird von
einem Siebkondensator 30 gefiltert, der parallel zur Zenerdiode 29 geschaltet ist.
Die Ausgangsspannung von dem Gleichrichter 26 wird ebenfalls von einem Siebkondensator
51 gefiltert, der parallel zu der Reihenschaltung aus dem Widerststand 28 und der
Diode 29 angeordnet ist.
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Die relative Einschaltdauer des Schalttransistors 22 wird von einem
monostabilen Multivibrator 32, der als aktive Elemente einen Transistor 33 und einen
Transistor. 34 aufweist,und deren jeweilige Ohm'sche und-kapazitiver Vorspannung
und Verbindungsnetzwerkm gesteuert.
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Der stationäre Zustand des Multivibrators 52 hält den Transistor
34 in seiner "Ein"-Stellung und den Transistor 73 in seiner "Aus"-Stellung. Im unstabilen
Zustand ist umgekehrt der Transistor 33 in seiner "Ein"-Stellung, während der Transistor
54 seine "Aus"-Stellung einnimmt.
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Der Multivibrator 52 wird in seine unstabile Stellung von einer Triggerschaltung
35 getriggert, welche von einem Kondensator 36 ünd einem Widerstand 37 gebildet
wird, die in Reihe zwischen der geregelten 12 Volt-Spannung und Erdpotential liegen.
Eine Schaltdiode )8ist parallel zum Kondensator 36 angeordnet. Ein Kondensator 39
koppelt die von der Triggerschaltung 55 kommenden Triggerimpulse an die Basis des
Transistors 55 an. Der Emitter-des Transistors 33 ist geerdet, während der Kollektor
über einen Widerstand 40 mit der geregelten Speisung verbunden ist.
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Der Kollektor des Transistors 53 ist ebenfalls über einen Kondensator
41 mit der Basis des Transistors 54 verbunden. Die Basis des Transistors ist über
einen Widerstand 42 mit der geregelten Speisung verbunden, während der Kollektor
des Transistors 54 über einen Widerstand 43 mit der geregelten Speisung verbunden
ist. Der Emitter des Transistors 34 ist geerdet. Der Kollektor des Transistors 34
ist mit der Basis des Transistors 55 über einen Widerstand 44 gekoppelt. Die Basis
des Transistors )3 ist ebenfalls über einen Widerstand 45 mit der Erde gekoppelt.
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Der unstabile Zustand des Multivibrators 52 wird von einem Verstärker
46 festgestellts der als aktives Element einen Transistor 47 hat. Der Emitter des
Transistors 47 ist mit der geregelten Speisung verbunden, während der Kollektor
über in Reihe liegende Widerstände 48 und 49 an Erde anliegt.
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Die Basis des Verstärkers 46 ist über einen Widerstand 50 mit dem
Kollektor des Transistors 55 in der Multivibratorschaltung 32 verbunden. Der Ausgang
des Verstärkers 46 ist über einen Verstärker 51 mit einem Leistungsverstärker 52
gekoppelt.
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Der Verstärker'51 enthält einen Transistor 53, dessen Basis an der
Verbindung der Widerstände 48 und 49 anliegt, während sein Emitter geerdet und sein
Kollektor über in Reihe verbundene Widerstände 54 und 55 mit dem Ausgang des Verstärkers
26
verbunden ist. Der Leistungsverstärker 52 enthält einen Transistor
56, dessen Basis mit der Verbindung der Widerstände 54 und 55 verbunden ist, während
sein Emitter mit dem Ausgang des Verstärkers 26 und sein Kollektor über einen Widerstand
57 mit der Basis des Schalttransistors 22 verbunden ist. Die Vorspannungsschaltung
für den Schalttransistor 22 enthält auch einen Widerstand 58, der zwischen der Basis
und Erde liegt,und eine Diode 59, die zwischen der Basis und Erde eingefügt ist.
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Der unstabile Zustand des Multivibrators 32 in der Steuerschaltung
24 weist eine variable Dauer auf, die auf die Wirkung des Verstärkers 25 zurückzuführen
ist, welcher die Änderung im Ladestrom an dem Multivibrator 32 ankoppelt.
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Der Verstärker 23 enthält einen Transistor 60, dessen Emitter über
einen Widerstand 9 mit dem Emitter des Schalttransistors 22 verbunden ist, um den
Ladestrom durch den Widerstand 21 zu ermitteln. Der Kollektor des Transistors 60
ist über eine Gleichrichterdiode 61 und einen Speicherkondensator 62, die in Reihe
liegen, geerdet. Die Verbindungsstelle zwischen der Diode 61 und dem Kondensator
62 ist über einen Widerstand 63 mit einer Seite eines zeitbestimmenden Kondensators
41 und mit der Basis des Transistors 54 in dem Multivibrator 32 verbunden. Der Kollektor
des Transistors 60 ist ebenfalls über einen Widerstand 64 mit der regulierten Spannung
verbunden. Die Basis des Transistors 60 ist über einen Kondensator 65 geerdet und
zum anderen mit dem variablen Arm eines Potentiometers 66 verbunden, welches zwischen
der geregelten Spannung und der Erde liegt. Das Potentiometer 66 ermöglicht eine
Einstellung, so daß der erwünschte Ladestrom festgesetzt werden kann.
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Das in Fig. 2 dargestellte Ladegerät weist ein zusätzliches Merkmal
auf, das normalerweise bei Batterieladeschaltungen nicht vorhanden ist und das darauf
beruht, daß die in
der Induktivität 19 gespeicherte Energie der
Batterie 15 immer dann zugeführt wird, wenn der Ladestrom unterbrochen wird. Zu
diesem Zwecke liegt eine Diode 70 parallel zu der Batterie 15 und der Induktivität
19 an, wobei die Kathode mit dem einen Ende der Induktivität und die Anode mit dem
positiven Anschluß der Batterie 15 verbunden ist.
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Das in Fig, 2 gezeigte Batterieladegerät ermöglicht eine Ladung mit
konstantem Strom für die Batterie 15 durch die Wirkung des Strommeßfühlers 21 des
Verstarkers 25 und der Steuerschaltung 24. Der Betrieb der in Figur 2 gezeigtenstromkonstanten
Ladeschaltung wird aus der Betrachtung der in Fig. 7 gezeigten Wellenformen- der
Spannungen noch deutlicher ersichtlich, die an-verschiedenen Stellen-in der Ladeschaltung
von Fig. 2 auftreten0 Kurve E von Fig, 3 gibt einen Halbzyklus der parallel zu der
Sekundärwicklung 18 des Transformators 11 anliegenden Spannung wieder. Es wird angenommenn
daß die Spannungsquelle 10 eine Frequenz vqn 60 Hz aufweist und daß ein Halbzyklus
eine Periode von annähernd 8S) Millisekunden ausweist Die Triggerschaltung 35 weist
eine Impulsfolgefrequenz von 1 kHz auf und erzeugt daher in jeder Millisekunde einen
Impuls, wie aus den Impulsen der Kurve F aus Figo 5 entnommen werden kann.
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Die Wellenform der an den Kollektor des Transistors 55 und den Multivibrator
52 anliegenden Spannung9 welche den unstabilen Zustand des Multivibrators 52 wiedergibt,
ist durch die Kurve G in Fig0 5 dargestellt0 Die relative-Einschaltdauer des Schalttransistors
22 ist durch die Spannung wiedergegeben, welche parallel zu dem Widerstand 21 durch
den hier durchfließenden Ladestrom entsteht Diese Spannung, die parallel zum Widerstand
21 entsteht, wird durch die Kurve H von Fig. 5 wiedergegeben.
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Zwecks Umschalten auf eine Pufferiadung wird ein Teil der geregelten
Spannung, die am oberen Ende der Zenerdiode 29
erscheint, über
einen Transistor 71 an den zeitbestimmenden Kondensator 41 und an die Basis des
Transistors 34 angelegt.
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Die Basis des Transistors 71 ist über einen Widerstand 73 mit einem
Anschlußpunkt T verbunden. Die Umschaltung zur Pufferladung erfolgt durch Erdung
des Anschlußpunktes T.
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Bei dem Betrieb wird ein konstanter Strom der Batterie 15 von der
in Fig. 2 gezeigten Ladeschaltung auf folgende Weise zugeführt: Wenn die Speisespannung,
wie am deutlichsten aus der Kurve E von Fig. 3 hervorgeht, über die Batterieklemmspannung
anwächst, welche von der punktierten Linie durch die Kurve E in Fig. 3 dargestellt
ist, kann ein Ladestrom fließen, Wenn der Schalttransistor 22 die "Ein"-stellung
einnimmt, fließt ein Ladestrom in die Batterie 15 und durch die Induktivität 19,
den Schalttransistor 22 und den Widerstand 21. Der Strom beginnt aufgrund der Wirkung
der Induktivität 19 jedesmal mit nO" Ampere. Der Ladestrom ist durch die Spannungskurve
H in Fig. 5 dargestellt. Die Spannung mit sägezahnförmiger Wellenform wr Punkt H
wird ermittelt und von dem Verstärker 27 verstärkt. Der Ausgang des Verætärkers
25 wird über die Gleichrichterdiode 61 dem Kondensator 62 zugeführt. Sobald der
durch die Batterie 15 fließende Ladestrom anwächst, dieses Anwachsen wird von dem
Widerstand 21 ermittelt, nimmt die Spannung an dem Kondensator 62 zu.
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Dieses Anwachsen der Spannung bewirkt, daß der instabil Zustand des
Multivibrators 32 abnimmt, wodurch die Zeit, in der der Schalttransistor 22 seine
"Ein"-Stellung einnimmt, abnimmt, was zu einer Abnahme des Ladungsstromesführt.
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Umgekehrt nimmt bei einer Abnahme des Ladestromes die Spannung an
dem Kondensator 62 ebenfalls ab, so daß die Zeitdauer für den unstabilen Zustand
anwächst, wodurch auch die Zeitdauer, in der sich der Schalttransistor 22 in "Eintt-Stellung
befindet, zunimmt.
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An der Basis des Schalttransistors liegt eine Vorspannung an, die
ausreicht, um ihn einzuschalten, wenn die Spannung der Spannungsquelle größer als
die Spannung der zu ladenden Batterie ist. Diese Vorspannung Wird mit einer Geschwindigkeit
angelegt, die von der Triggerschaltung 55 bestimmt ist. Die Geschwindigkeit kann
über die mit 1 kHz angenommene Geschwindigkeit erhöht werden, sie kann aber auch
unter diesen Wert abgesenkt werden. Je höher diese Geschwindigkeit ist, umso öfter
erfolgt ein Abtasten des Tadestroms, der sich damit umso besser regeln läßt.
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Eine weitere Ausführungsform für ein eine Ladung mit konstantem Strom
bewirkendds Ladegerät ist in Figur 4 dargestellt. Die Bauteile, welche denen der
in den Figuren 2 und 4 gezeigten Schaltung entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen
versehen. Die Schaltung von Figur 4 weist die gleichen grundsätzlichen Komponenten
wie von Figur 2 auf.
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Das Ladegerät von Figur 4 enthält einen Strommeßfühler 80, einen regelbaren
Schalter 81 und einen Steuerschaltkreis 82.
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Der Strommeßrühler 80 enthält eine Transformatorwicklung 83, die magnetisch
mit einer Induktivität 84 gekoppelt ist, welche in dem Ladestromweg eingefügt ist.
Eine Seite der Wicklung 85 ist geerdet, während die andere Seite über eine Diode
85, einen Widerstand 86 und ein Potentiometer 87 geerdet ist.
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Der bewegliche Arm des Potentiometers 87 ist mit der Steuerschaltung
82 verbunden, indem er über einen Widerstand 88 mit der Basis eines Transistors
89 verbunden ist, der das aktive Element eines Verstärkers 90 bildet. Der Emitter
des Transistors. 89 ist über einen Widerstand 107 und eine Zener-Diode 108 in Reihe
geerdet. Ein Widerstand 109 ist zwischen dem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand
107 und der Zener-Diode 108 und der Energieversorgungsseite der Induktivitat 84
verbunden. Widerstände 107 und 109 sowie eine Zener-Diode 108, die miteinander verbunden
sind, liefern in der Steuerschaltung 82 eine Temperaturkompensation.
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Der Kollektor des Transistors 89 ist über einen Widerstand 91 mit
dem Emitter einer Doppelbasisdiode 92 verbunden. Die Doppelbasisdiode 92 bildet
das aktive Element eines Kippgenerators 93. Eine Basis der Doppelbasisdiode 92 ist
über einen Kondensator 94 mit dem Tor eines siliziumgesteuerten Gleichrichters 95
verbunden, welcher die steuerbare Schaltkomponente des steuerbaren Schalters 81
bildet.
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Die untere Basis der Doppelbasisdiode 92 ist ferner über einen Widerstand
96 geerdet. Die obere Basis der Doppelbasisdiode 92 ist mit einer Verbindungsstelle
eines Widerstands 97 verbunden, welcher in Reihe mit einem Widerstand 98 zwischen
dem positiven Ausgang des Gleichrichters 12 und Erde geschaltet ist. Ein Kondensator
99 ist parallel zu dem Widerstand 98 geschaltet. Eine ausgewählte Spannung wird
an den Emitter der Doppelbasisdiode 92 über einen Widerstand 100, Diode 101 und
den Spannungsteiler der Widerstände 102 und 103 angelegt, welche zwischen den positiven
Ausgang des Gleichrichters 12 und Erde geschaltet sind. Der zeitbestimmende Kondensator
für den Kippgenerator 93 wird von einem Kondensator 104 gebildet, welcher zwischen
dem Emitter der Doppelbasisdiode 92 und Erde angeschlossen ist.
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Ein Schaltkreis für eine Umschaltung auf Pufferladung am Ende des
eingestellten Intervalls enthält einen variablen Widerstand 105, der über eine Diode
106 mit dem Anschlußpunkt T verbunden ist, welcher mit der Erde verbunden wird,
wenn eine Umschaltung auf Pufferladung erwünscht ist. Eine Seite des variablen Widerstands
105 ist mit dem Emitter der Doppelbasisdiode 92 verbunden. Die Steuerschaltung 82
liefert eine Phasenwinkelsteuerung des Zündwinkels von dem siliziumgesteuerten Gleichrichter
110 im wesentlichen zwischen 0° und 1800 von jeder Halbwelle der Spannung, die parallel
zur Sekundärwicklung 18 des Transformators 11 anliegt.
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Der Betrieb des steuerbaren Schalters 81 und die Steuerschaltung
82 werden noch deutlicher im Zusammenhang mit den Figuren 5 und 6 ersichtlich. Aus
Demonstrationsgründen ist angenommen, daß der siliziumgesteuerte Gleichrichter 110
als
steuerbarer Schalter zwischen einem Verbraucher 111, der die
zu ladende Batterie sein kann und einer pulsierenden Gleichstromquelle 112 geschaltet
ist. Der Zündwinkel des siliziumgesteuerten Gleichrichters 110 wird von einer Steuerschaltung
115 gesteuert, welche eine Doppelbasisdiode 114 enthält, deren untere Basis über
einen Widerstand 115 geerdet ist und die über einen Kondensator 116 mit dem Tor
des siliziumgesteuerten Gleichrichters 110 verbunden ist.
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Die obere Basis der Doppelbasisdiode 114 ist mit dem Verbindungspunkt
eines Spannungsteilers zusammengeschaltet, der einen Widerstand li7 enthält und
in Reihe mit einem Widerstand 118 zwischen dem Ausgang der Spannungsquelle 112 und
Erde verbunden ist. Ein zeitbestimmender Kondensator 119 verbindet den Emitter der
Doppelbasisdiode 114 mit Erde. Eine Einzelsteuerung (single control) für die Steuerung
des Zündwinkels des siliziumgesteuerten Gleichrichters 110 über die Steuerschaltung
115 ist durch ein fotentiometer 120 gegeben, das zwischen der Quelle 112 und Erde
geschaltet ist. Der variable Arm des Potentiometers 120 ist über eine Diode 121
und einen Widerstand 122 mit dem Emitter der Doppelbasisdiode 114 verbunden. Die
Wellenformen der an -verschiedenen Punkten der Schaltung von Figur 5 anliegenden
Spannungen und Signale sind in den Figuren- 6A, 6B, 6C und 6D dargestellt. Es sei
für den Anfang angenommen, daß der variable Arm des Potentiometers 120 nahe dem
Erdpotential gesetzt ist, so daß eine kleine Spannung, welche von der Kurve L in
Figur 6A wiedergegeben wird, am Punkt L erscheint. Zum Zwecke der Verdeutlichung
ist angenommen, daß die Spitzenspannung am Punkt J 70 Volt beträgt und daß das Spannungsteilernetzwerk
aus den Widerständen 117 und los eine Spitzenspannung von 40 Volt am Punkt K erzeugt,
der mit der oberen Basis der Doppelbasisdiode 114 verbunden ist.
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Wenn 70 Volt Spitzenspannung am Punkt J anliegen, erhält man für
die am Punkt L anliegende Spannung einen Wert, der irgendwo zwischen 0 und 70 Volt
Spitzenspannung liegt. Für einen richtigen Betrieb der in Figur 5 gezeigten Schaltung
muß die Zeitkonstante des über dem Punkt L liegenden Teils des Potentiometers 120
und des Widerstands 122 sowie des Kondensators 119 kleiner als 5 ffi der Periode
der pulsierenden Quelle sein. Nimmt man an, daß die Quelle eine Frequenz von 60
Hz hat, dann wird die Periode der Quelle 8 1/3 Millisekunden,und die Zeitkonstante
der Widerstände 120 und 122 und des Kondensators 119 sollte unter 42 Mikrosekunden
liegen, wenn eine Steuerung zwischen 0 und 1800 erwünscht ist. Zum Zünden der Doppelbasisdiode
114 muß die Spannung am Emitter wenigstens .65 der Spannung an der oberen Basis
der Doppelbasisdiode 114 betragen.
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Es sei angenommen, daß die Spannung der oberen Basis der Doppelbasisdiode
114 die durch die Kurve K gezeigte Wellenform und eine Spitzenspannung von 40 Volt
aufweist. Unter diesen Bedingungen und mit einer Spitzenspannung von weniger als
40 Volt am Emitter ist ein Zünden des siliziumgesteuerten Gleichrichters 110 lediglich
in der zweiten Hälfte der in der Kurve J gezeigten Wellenform möglich, d.h. zwischen
90° und 1800.
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Nimmt man an, daß eine Spitzenspannung von annähernd 10 Volt am Punkt
L anliegt, so zündet der siliziumgesteuerte Gleichrichter 110 nicht, bevor annähernd
1600 im Eingangszyklus von der Quelle 112 erreicht ist, wie dies aus den Kurven
von Figur 6A hervorgeht. Wenn 10 Volt am Punkt L anliegen, versucht der Kondensator
119 eine Aufladung bis zu dieser Spitzenspannung durchzuführen, wie dies durch die
Kurve M in Figur 6A gezeigt ist. Sobald die Eingangsspannung über diesen Spitzenwert
hinweggeht und die Spannung am Punkt L von dem 10 Volt-Peak abnimmt, bleibt die
Spannung am Kondensator 119 konstant, da die Diode 121 jede Ableitung von dem Kondensator
119 verhindert. Wenn anschließend die
Spannung am Punkt Kleiner
als annähernd das 1,54-fache der parallel zum Kondensator 119 anliegenden Spannung
wird, wird die Doppelbasisdi-ode 114 leitend. Wenn die Doppelbasisdiode 114 leitet,
entlädt sich der Kondensator 119 über die Übergangszone zwischen dem Emitter und
der unteren Basis und dem Widerstand 115. Der resultierende parallel zum Widerstand
115 erzeugte Impuls, der in Figur 6B durch die Kurve N gezeigt ist, wird über den
Kondensator 116 an das Tor des siliziumgesteuerten Gleichrichters 110 gekoppelt,
um den Gleichrichter einzuschalten.
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Sobald die Spannung am Punkt L ansteigt, wie dies durch die Kurven
in den Figuren 6B, 6C und 6D gezeigt ist, zündet der siliziumgesteuerte Gleichrichter
110 früher und früher in der Halbwelle der Eingangswellenform, .bis die Spannung
auf ihren Maximalwert angestiegen ist, an der der siliziumgesteuerte Gleichrichter
nahe dem 00Punkt zündet.
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Die Einzelsteuerung des Potentiometers 120 von Figur 5 wird bei dem
Ladegerät von Figur 4 durch eine äquivalente Schaltung ersetzt. In der Schaltung
von Figur 4 wirkt der Transistor 89 wie ein variabler Widerstand parallel zu dem
zeitbestimmenden Kondensator 104 zur Steuerung des Zündwinkels des siliziumgesteuerten
Gleichrichters 95, im Ansprechen auf die Änderungen des Ladestromes, welche von
dem Ladestrommeßfühler 80 ermittelt werden. Sobald beispielsweise der Ladestrom
abnimmt, erscheint an der Basis des Transistors 89 eine gegenüber dem Erdpotential
größere Spannung.
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Dieser Spannungsanstieg bewirkt, daß der -Transistor 89 stärker leitend
wird, so daß er einen niedrigeren Widerstand bildet und eine niedrigere Spitzenspannung
parallel zum zeitbestim9lenden Kondensator 104 anliegt. Diese niedrigere Spannung
bewirkt ein Ansteigen in dem Zündwinkel des siliziumgesteuerten Gleichrichters 95,
so daß die Zeit, in der er in "Ein"-Stellung ist, abnimmt, um den an die
Batterie
angelegten Ladestrom zu vermindern. Auf diese Weise wird der Ladestrom während des
Ladevorgangs der Batterie im wesentlichen konstant gehalten.
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Wenn der Ladezustand der zu ladenden Batterie bekannt ist, kann das
Ladeprogramm einfach aus der Anwendung eines hohen Ladestroms bestehen, d.h. einem
Ladestrom, der größer ist als der nominale Entladestrom, welcher der Auslegung der
Batterie zugrundegelegt ist, oder indem man alternativ einen Ladestrom mit einem
Potential anlegt, das über dem Zersetzungspotential des Elektrolyten liegt, und
zwar für ein Zeitintervall, das ausreicht, um die Batterie zu laden und um die erwünschte
Überladung hervorzurufen.
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Ein Verfahren, das unabhäbgig von dem ursprünglichen Ladezustand
der Batterie sinnvoll verwendet werden kann, um die Batterie aufzuladen, enthält
den Verfahrensschritt einer Überwachung von einer Kennlinie der Batterie, während
des ersten Ladeintervalls, wobei, sobald die überwachte Kennlinie einen vorbestimmten
Wert erreicht hat, die Anwendung eines Schnelladestromes für ein zweites Zeitintervall
fortgesetzt wird, welches eine Dauer aufweist, die von der Länge des ersten Zeitintervalls
abhängt. Das zweite Zeitintervall kann alternativ auch fest gewählt werden, und
zwar basierend auf der Energie, die aus der Batterie während des Entladevorganges
entnommen wurde, und des erwünschten Grades einer aber ladung oder basierend auf
der ausgelegten Kapazität der Batterie. Die Abgabe des Ladestroms während des zweiten
Zeitintervalls kann gleich, größer oder kleiner als der Ladestrom sein, der an die
Batterie angelegt ist, bevor das eingestellte Intervall begonnen wird.
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Die Schaltung zur Überwachung der Klemmspannungen der Batterie und
zur Lieferung eines eingestellten Zeitintervalls ist schematisch in Figur 7 dargestellt.
Diese Schaltung kann mit verschiedenen Ladestromsohaltungen verwendet werden, beispielsweise
mit dem einen konstanten Ladestrom verwendenden
Ladegerät von Figur
2 oder mit dem einen konstanten Ladestrom verwendenden Ladegerät gemäß Figur 4.
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Eine Verbindung der in Figur 7 gezeigten Schaltung mit der Schaltung
von Figur 2 erfolgt dadurch, daß Anschlußpunkte, die mit "X" in Figur 2 und Figur
7 bezeichnet sind, sowie Anschlußpunkte, die in Figur 2 und 7 mit leT" bezeichnet
sind, miteinander verbunden werden0 Durch ein Verbinden der Anschlußpunkte X erscheint
die Klemmspannung der Batterie 15 am Eingang der Schaltung 7. Der Überwachungsteil
der in Figur 7 gezeigten Schaltung enthält ein Paar Zener^Dioden 140 und 141, die
in Reihe mit einem Potentiometer 142 zwischen dem Anschlußpunkt X und Erde geschaltet
sind Der variable Arm eines Potentiometers 142 ist über einen Widerstand 145 und
einen Kondensator 144 geerdet. Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 143
und dem Kondensator 144 ist mit dem Tor eines siliziumgesteuerten Gleichrichters
145 verbunden, Die Kathode des siliziumgesteuerten Gleichrichters ist geerdet, während
ihre Anode über ein Paar, einen Spannungsteiler bildende Widerstände 146, 147 in
Reihe mit dem Anschlußpunkt X verbunden ist. Der zeitbestimmende Teil der Schaltung
von Figur 7 enthält einen Transistor 148, der auf den Leitfähigkeitszustand des
siliziumgesteuerten Gleichrichters 145 anspricht. Die Basis des Transistors 148
ist mit dem Verbindungspunkt der Widerstände 146 und 147 im Anodenkreis des siliziumgesteuerten
Gleichrichters 145 verbunden.
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Der Emitter des Transistors 148 ist mit dem X-Anschlußpunkt verbunden,
während der Kollektor über einen Widerstand 149 und eine damit in Reihe liegende
Zener-Diode 150 an Erde anliegt.
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Das Zeitgeberteil enthält auch ein Netzwerk-aus einem in Reihe liegenden
Widerstand 151 und einem Kondensator 152, die parallel zu der Zener-Diode 150 anliegen.
Der Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand 151 und dem Kondensator 152 ist mit
einem Emitter einer Doppelbasisdiode 155 verbunden, welche auf die parallel zu dem
Kondensator 152 anliegende
Spannung anspricht. Die obere Basis
der Doppelbasisdiode 155 liegt über einen Widerstand 154 an der regulierten Spannung
am oberen Ende der Zener-Diode 150 an. Die untere Basis der Doppelbasisdiode 153
ist über einen Widerstand 155 mit Erde verbunden, ferner über einen Widerstand 156
mit dem Tor des siliziumgesteuerten Gleichrichters 157. Das Zeitgeberteil der in
Figur 7 gezeigten Schaltung regelt den Betrieb des siliziumgesteuerten Gleichrichters
157, der als Schalter wirkt, um den Anschlußpunkt T zu erden, wobei dieser Anschlußpunkt
mit der Anode des siliziumgesteuerten Gleichrichters 157 verbunden ist.
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Die in Figur 7 gezeigte Schaltung enthält auch ein Anzeigeteil mit
Lampen, welche auf einer Anzeigetafel des Ladegeräts befestigt sein können, um den
Betriebszustand des Ladegeräts anzuzeigen. Eine erste Lampe 160 zeigt an, daß sich
das Ladegerät in seinem Anfangszustand oder in seiner ersten Betriebsart befindet,
wenn diese Lampe brennt. Eine Lampe 161 zeigt an, daß das Ladegerät sich in dem
eingestellten Zeitintervall oder in seinem zweiten Betriebs zustand befindet, wenn
diese Lampe leuchtet. Schließlich zeigt eine Lampe 162 an, daß das Ladegerät den
Pufferladlmgsbetriebszustand einnimmt oder daß der Schnelladevorgang beendet ist,
wenn diese Lampe leuchtet. Die Lampe 160 ist zwischen Erde und dem X-Anschlußpunkt
über den Emitter-Kollektorstromweg des Transistors 165 und einen Widerstand 164
verbunden. Der Emitter des Transistors 165 ist mit einer Seite der Lampe 160 verbunden,
während der Kollektor des Transistors 163 über den Widerstand 164 mit dem X-Anschlußpunkt
verbunden ist, Die Vorspannung für den Transistor 163 wird über einen Widerstand
165 geliefert, der zwischen der Basis des Transistors 163 und dem X-Anschlußpunkt
eingeschaltet ist. Die Basis des Transistors 165 ist auch über eine Diode 166 der
Anode des siliziumgesteuerten Gleichrichters 145 verbunden.
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Die Lampe 161 ist über die Diode 166, den siliziumgesteuerten Gleichrichter
145 und mit dem X-Anschlußpunkt über den Emitter-Kollektorstromweg eines Transistors
167 und dem Widerstand 164 verbunden. Der Emitter des Transistors 167 ist mit einer
Seite- der Lampe 161 verbunden, während der Kollektor des Transistors 167 mit dem
X-Anschlußpunkt über einen Widerstand 164 verbunden ist.
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Die Vorspannung für den Transistor 167 wird über einen Widerstand
168, die Lampe 162 und einen Widerstand 164 geliefert, welche in Reihe zu der Basis
des Transistors 167 geschaltet sind.
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Ein Widerstand 168 ist direkt zwischen die Basis des Transistors
167 und eine Seite der Lampe 162 eingeschaltet.
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Die andere Seite der Lampe 162 ist mit dem X-Anschlußpunkt über den
Widerstand 164 verbunden.
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Der Stromweg für die Beleuchtung der Lampe 162 verläuft zwischen
dem X-Anschlußpunkt und der Erde über den Widerstand 164, eine Diode 170 und den
siliziumgesteuerten Gleichrichter 157. Die Diode 170 ist zwischen dem Verbindungspunkt
des Widerstands 168 und der Lampe 162 und der Anode des siliziumgesteuerten Gleichrichters
157 eingeschaltet.
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Für eine Batterie mit 36 Volt, 18 Zellen, 220 Ampere stunden, die
für den Betrieb eines Golfwagens ausgelegt ist und die im Zusammenhang mit den Kurven
von Figur 1 und dem Ladegerät von Figur 2 beschrieben wurde, kann eine Klemmspannung,
die etwas über dem Punkt liegt, an dem ein starkes Gasen einsetzt, vorteilhafterweise
verwendet werden, um das eingestellte Intervall' zu beginnen. Für eine 56Volt 18-Zellen-Säurebatterie
liegt der Punkt, an dem ein starkes Gasen einsetzt, gemäß den Ausführungen von Vinal,
Seite 262, bei einer Endspannung von 45 Volt. Es werden daher bei der in Figur 7
gezeigten Schaltung die Zener-Dioden 140, 141 und die Stellung des beweglichen Arms
des-Potentiometers 142 so
gewählt, daß eine Klemmspannung, die
etwas über 45 Volt, d.h. dem Punkt, an dem ein starkes Gasen einsetzt, liegt, das
eingestellte Intervall beginn Beispielshalber sei angenommen, daß der im voraus
festgelegte Wert für die Klemmspannung, bei dem der Beginn des eingestellten Intervalls
bewirkt wird, 47 Volt beträgt. Wenn die Batteriespannung bei fortschreitender Ladung
einen Wert von 47 Volt erreicht, wird der siliziumgesteuerte Gleichrichter 145 eingeschaltet,
daß an dem Bodenteil des aus den Widerständen 146 und 147 gebildeten Spannungsteilers
im wesentlichen Erdpotential anliegt. Es kann dann ein Strom durch die Widerstände
146 und 147 fließen, wodurch eine gegenüber dem Emitter des Transistors 148 negative
Spannung an die Basis des Transistors 148 angelegt wird. Der Transistor 148 wird
eingeschaltet, und es fließt ein Strom durch den Transistor 148 und den Widerstand
149 in die Zeitgeberschaltung aus dem Widerstand 151 und dem Kondensator 152.
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Die Zener-Diode 150 erzeugt eine stabilisierte Spannung parallel zu
der Zeitgeberschaltung vom Widerstand 151 und Kondensator 152. Die Zeitkonstante
des Widerstands 151 und des Kondensators 152 wird so gewahlt, daß das vorausbestimmte
Intervall erhalten wird, während dessen die Anlegung eines starken Ladestroms an
die Batterie fortgeführt wird.
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Am Ende des voraus festgelegten Intervalles bewirkt die Ladung des
Kondensators 152, daß die Doppelbasisdiode 155 leitend wird. Hierauf erfolgt eine
Entladung des Kondensators 152 durch den Übergang zwischen dem Emitter und unterer
Basis der Doppelbasisdiode 155 und dem Widerstand 155. Die parallel zum Widerstand
155 auftretende Spannung schaltete den siliziumgesteuerten Gleichrichter 157 auf
"Ein, damit an dem Anschlußpunkt T im wesentlichen Erdpotenital anliegt.
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Bei der in Figur 2 gezeigten Schaltung, bei der an dem Anschlußpunkt
T im wesentlichen Erdpotential anliegt, wird der Transistor 71 eingeschaltet, so
daß eine relativ hohe Spannung an dem Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator
1 und der Basis des Transistors 54 in dem Multivibrator 52 der Steuerschaltung 24
angelegt wird. Das Auftreten dieser konstanten relativ hohen Spannung an diesem
Verbindungspunkt bewirkt eine Abnahme der Dauer des unstabilen Zustands des Multivibrators
72 auf einen im voraus gewählten kleinen Wert.
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Wenn der unstabile Zustand des Multivibrators 52 von sehr kurzer Dauer
ist, wird der Schalttransistor 22 für jeden Triggerimpuls von der Triggerschaltung
75 lediglich für ein sehr kurzes Zeitintervall eingeschaltet. Dieser kurze Einschaltdauer
für den Schalttransistor 22 vermindert wesentlich die Abgabe des Ladestroms auf
eine ausgewählte Pufferladungsgröße.
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Beim Betrieb der Anzeigelichter oder -lampen wird durch die Ermittlung
der im voraus ausgewählten Größe für die überwachten Kennlinie,welche den siliziumgesteuerten
Gleichrichter 145 einschaltet, im wesentlichen Erdpotential an die Basis des Transistors
163 gelegt, so daß dieser Transistor und die Lampe 160 ausgeschaltet werden. Durch
das Anlegen von Erdpotential über den den siliziumgesteuerten Gleichrichter 145
wird ein Leitungsweg über den Transistor 167 für die Lampe 161 gebildet, um den
Anfang des eingestellten Intervalls anzuzeigen. Am Ende des eingestellten Intervalls
und nach einem Einschalten des siliziumgesteuerten Gleichrichters 157 erfolgt eine
Abschaltung des Transistors 167, und es wird ein Stromweg für die Lampe 162 gebildet,
um anzuzeigen, daß der Schnelladevorgang beendet wurde.
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Wenn die in Figur 7 gezeigte Schaltung mit dem gleichen Strom von
Figur 4 verwendet wird, werden jeweils die Anschlußpunkte X und T des Ladegerät
es mit den Anschlußpunkten X und T der Zeitgeberschaltung verbunden. Nach dem Ende
des eingestellten Intervalls und der Leitung des siliziumgesteuerten Gleichrichters
157 wird an den Anschlußpunkt T im wesentlichen Erdpotential angelegt.
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Der variable Widerstand 105 ist auf einen geeigneten Widerstandswert
gesetzt, so daß die Spannung, die parallel zu dem Kondensator 104 anliegt, auf einem
relativ geringen Wert gehalten ist. Diese geringe Spannung parallel zum Kondensator
104, welche an dem Emitter der Doppelbasisdiode 92 angelegt ist, bewirkt, daß der
siliziumgesteuerte Gleichrichter 95 nahe an dem 1800-Punkt zündet, wodurch die Zeit
für den ??Ein!! Zustand wesentlich verringert wird und eine Umschaltung auf ein
Pufferladungsniveau erfolgt.
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Es ist erwünscht, ein Fließen des Schnelladestroms in das Ladegerät
dann zu verhindern, wenn mit dem Ladegerät keine Batterie verbunden ist.
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Zu diesem Zweck wird eine Zener-Diode 175 und eine riode 176 zwischen
dem Anschluß Z und dem Verbindungspunkt von einem Widerstand 86 und der Diode 85
in der Ladeschaltung von Figur 4 eingeschaltet. Der Anschluß Z ist mit einer Einrichtung
für eine Ermittlung der zwischen dem Ausgangsanschluß X des Ladegeräts und dem Erdpotential
liegenden Spannung verbunden. Wenn die in Figur 7 gezeigte Schaltung verwendet wird,
kann der Anschluß punkt Z von dem Verbindungspunkt zwischen der Zener-Diode 141
und dem Potentiometer 142 ausgehen.
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Wenn zwischen dem Anschluß X und Erde keine Batterie eingeschaltet
ist, liegt parallel zu dem Widerstand 142 eine Spannung an, die höher als der Normalwert
ist. Die Zener-Diode 175 weist eine Abbruchspannung auf, die höher ist als die Spannung,
welche normalerweise parallel zum Widerstand 142 anliegt, wenn eine Batterie zwischen
dem Anschluß X und Erde eingeschaltet ist. Wenn daher keine Batterie eingeschaltet
ist und die parallel zum Widerstand 142 anliegende Spannung einen vorbestimmten
Wert überschreitet, fließt ein Strom durch die Zener-Diode 175 und die Diode 176
und lädt den Kondensator 182 auf.
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Zusätzlich fließt ein Strom durch die Widerstände 86 und 87, der
dazu führt, daß der Transistor 89 besser leitet, so daß das Anliegen einer niedrigeren
Spannung parallel zu dem zeitbestimmenden Kondensator 104 bewirkt wird. Die Ladung
des Kondensators 182 bewirkt einen Stromdurchgang durch den Transistor 89, welcher
groß genug ist, um den Zündwinkel des siliziumgesteuerten Gleichrichters 95 nahe
dem 1800-Punkt zu halten, wodurch ein starker Stromfluß verhindert wird.
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Die Ladung auf dem Kondensator 182 wird periodisch abgeleitet, so
daß für eine kurze Zeitperiode starke Ströme fließen, um den Kondensator wieder
aufzuladen, welcher den Zündwinkel des siliziumgesteuerten Gleichrichters wieder
nahe zu dem 180Punkt bringt--und das Ladegerät in dem Zustand hält, in welchem ein
niedriger Strom fließt.
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Anstelle der Verwendung eines zweiten Intervalls von fester Dauer
kann ein zweites Intervall variabler Dauer verwendet werden, das abhängig ist von
der Dauer des ersten Intervalls. Eine Schaltung, mit der dies erreicht werden kann,
ist schematisch in Figur 8 dargestellt. Die Schaltung von Figur 8, die ähnlich der
Schaltung von Figur 7-ist, kann mit verschiedenen Ladestromschaltungen verwendet
werden, wie beispielsweise mit dem einen konstanten Ladestrom verwendenden Ladegerät
von Figur 2 oder mit dem einen konstanten Ladestrom verwendenden Ladegerät von Figur
4.
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Die Schaltung von Figur 8 überwacht die Batterieklemmspannung, um
das erste Intervall zu beenden und das zweite Intervall zu beginnen, sobald eine
vorbestimmte Spannung parallel zur in Ladung befindlichen Batterie anliegt. Die
Schaltung von Figur 8 wird mit den entsprechenden Anschlüssen X und T der Schaltung
von Figur 2 oder 4 in der gleichen Weise wie die Schaltung von Figur 7 verbunden.
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Der Überwachungsteil der in Figur 8 gezeigten Schaltung enthält ein
Paar Zener-Dioden 180 und 181, die in Reihe mit
einem Potentiometer
182 zwischen dem Anschlußpunkt X und Erde geschaltet sind. Der variable Arm des
Potentiometers 182 ist über einen Thermistor 183 mit dem Tor eines siliziumgesteuerten
Gleichrichters 184 verbunden. Ein Kondensator 185 und ein Widerstand 186 sind parallel
zwischen dem Tor des siliziumgesteuerten Gleichrichters 184 und Erde eingefügt.
Die Kathode des siliziumgesteuerten Gleichrichters 184 ist geerdet, während ihre
Anode über eine Diode 187 und einen Widerstand 188, die in Reihe liegen, mit dem
Anschlußpunkt X verbunden sind.
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Der Meßfühler des Zeitgeberteils der in Figur 8 gezeigten Schaltung
ist eine Monozelle 189. Vorteilhafterweise wird diese Monozelle 189 von einer Nickelcadmiumzelle
gebildet, welche bekannte Lade- und Entladecharakteristiken aufweist, so daß die
Periode der Entladung bis zu einer gewählten Endspannung von der Dauer des Ladeintervalls
abhängig sein kann.
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Die Monozelle 189 wird über einen Transistor 190 und ein Spannungsteilernetzwerk
geladen, das zwischen dem Emitter des Transistors 190 und Erde geschaltet ist.
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Das Spannungsteilernetzwerk enthält eine Lampe 191, ein Potentiometer
192 und einen Widerstand 193, die in Reihe zwischen dem Emitter des Transistors
190 und Erde geschaltet sind. Der positive Anschluß der Zelle 189 ist mit dem variablen
Arm des Potentiometers 192 verbunden. Die Klemmspannung der Zelle 189 wird durch
den Betrieb eines Transistors 194 ermittelt, den sie steuert. Die Basis des Transistors
194 ist mit dem positiven Anschluß der Zelle 189 über einen Widerstand 195 und eine
Diode 196 verbunden. Der Emitter des, Transistors 194 ist geerdet, während der Kollektor
mit dem Tor eines siliziumgesteuerten Gleichrichters 197 verbunden ist.
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Ein Streuspannungs-Ableitkondensator 198 ist zwischen dem Tor des
siliziumgesteuerten Gleichrichters 197 und Erde eingeschaltet. Die Kathode des siliziumgesteuerten
Gleichrichters
197 ist direkt geerdet, während die Anode über
eine Diode 199 und eine Lampe 200 mit dem Kollektor des Transistors 190 verbunden
ist. Der Anschluß des Kollektors vom Transistor 190 und der Lampe 200 ist über einen
Strombegrenzungswiderstand 201 mit dem Anschluß X verbunden.
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Der Triggerstrom für den siliziumgesteuerten Gleichrichter 197 wird
über einen Transistor 202 geliefert. Der Kollaktor des Transistors 202 ist über
einen Widerstand 203 mit dem Tor des siliziumgesteuerten Gleichrichters 197 verbunden.
Der Emitter des Transistors 202 ist mit dem Anschluß X verbunden, während die Basis
des Transistors 202 über einen Widerstand 204 mit dem Verbindungspunkt zwischen
der Diode 187 und dem Widerstand 188 derart verbunden ist, daß der Leitfähigkeitszustand
des Transistors 202 von dem Leitfähigkeitszustand des siliziumgesteuerten Gleichrichters
184 bestimmt ist.
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Die in Figur 8 gezeigte Schaltung enthält auch einen Anzeigeteil
mit Lampen, die auf einem Anzeigepult des Ladegeräts befestigt sein können, um den
Betriebszustand des Ladegeräts anzuzeigen. Die Lampe 191 ist ein Teil des Anzeigeteiles.
Sie zeigt im erleuchteten Zustand an, daß sich das Ladegerät in seinem Anfangszustand
oder in seiner ersten Stufe des Ladeprogramms befindet. Eine Lampe 205 zeigt, wenn
sie leuchtet,an, daß das Ladegerät sich im zweiten Intervall oder der zweiten Stufe
dbs Ladeprogramms befindet. Schließlich gibt eine Lampe 200, wenn sie leuchtet,
eine Anzeige, wenn sich das Ladegerät in der Betriebssture einer Pufferladung befindet
oder wenn der Schnelladevorgang beenden ist.
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Die Lampe 205 ist zwischen die Anode des siliziumgesteuerten Gleichrichters
184 und den Anschluß X über einen Transistor 206 und einen Strombegrenzungswiderstand
201 geschaltet.
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Der Emitter des Transistors 206 ist mit der Lampe 205 verbunden, während
der Kollektor des Transistors 206 mit dem Anschluß X über den Widerstand 201 verbunden
ist. Die Basis des Transistors 206 ist über einen Widerstand 207-mit der Verbindungsstelle
zwischen der Lampe 200 und der Diode 199 verbunden.
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Beim Betrieb wird die Klemmspannung der zu ladenden Batterie dem
Spannungsteilernetzwerk aus den Zener-Dioden 180 und 181 sowie dem Potentiometer
182 angelegt. Bei einem im voraus festgelegten Wert der Batterieklemmspannung, beispielsweise
dem Punkt, bei dem ein starkes Gasen eintritt, d.h. bei 45 Volt für eine )6-Volt-Säurebatterie,
wird der siliziumgesteuerte Gleichrichter 184 eingeschaltet. Vor dem Einschalten
des siliziumgesteuerten Gleichrichters 184 fließt ein Strom durch den Transistor
190 und die Lampe 191, das Potentiometer 192 und den Widerstand 193. Die Lampe 191
brennt daher und zeigt an, daß das Ladegerät sich in der ersten Stufe des Ladeprogramms
befindet. Der Stromfluß durch den Transistor 190 bewirkt auch eine Aufladung der
Monozelle 189.
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Der Ladevorgang der Zelle 189 setzt sich fort, bis die ausgewählte
Klemmspannung erreicht ist und der siliziumgesteuerte Gleichrichter 184 eingeschaltet
ist. Das Einschalten des siliziumgesteuerten Gleichrichters 184 schaltet den Transistor
190 ab und den Transistor 202 an. Der Transistor 202 legt einen Triggerstrom an
den siliziumgesteuerten Gleichrichter 197 an. Dieser Triggerstrom wird jedoch von
dem Transistor 194 hinsichtlich des Tor-Kathoden-Übergangs des siliziumgesteuerten
Gleichrichters 197 überbrückt.
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Der Transistor 194 bleibt solange eingeschaltet, als die Klemmspannung
der Zelle 189 oberhalb den beiden Diodenabfällen der Diode 196 und des Basis-Emitter-Übergangs
des Transistors 194 liegt. Das Zeitintervall, welches benötigt wird, damit die Spannung
der Zelle 189 unterhalb diese Unterhaltungsspannung fällt, wird von dem Ladezustand
der Batterie 189 bestimmt, die während des Fließens des Ladestroms in der ersten
Stufe des Ladeprogramms erhalten wurde. Auf diese Weise erhält man eine Abhängigkeit
Länge des zweiten Intervalls des Ladeprogramms Länge des ersten Intervalls des Ladeprogramms.
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Am Ende des ersten Intervalls oder der ersten Stufe des Ladeprogramms,
an dem der siliziumgesteuerte Gleichrichter 184 angeschaltet wird, fließt ein Strom
über den Transistor 206 und die Lampe 205, um anzuzeigen, daß das Ladegerät sich
nun in der zweiten Stufe des Ladeprogrammes befindet. Das Lampe 205 brennt, der
siliziumgesteuerte Gleichrichter 197 zündet, was ein Einschalten der Lampe 200 bewirkt
und die Vorspannung für den Transistor 206 entfernt, damit die Lampe 205 ausgeschaltet
wird. Das Einschalten der Lampe 200 zeigt an, daß der Ladevorgang mit einem hohen
Strom beendet ist, und daß das Ladegerät die Pufferladungsstufe einnimmt, oder daß
ein weiterer Ladestrom der Batterie zugeführt wird.
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Das Ladegerät wird in die Stufe für die Pufferladung gebracht, indem
an den Anschluß T auf ein Einschalten des siliziumgesteuerten Gleichrichters 197
Erdpotential gelegt wird. Das Ladegerät kann, wenn dies erwünscht ist, manuell in
die Stufe für die Pufferladung gebracht werden. Zu diesem Zweck ist ein Schalter
208 zwischen dem Tor des siliziumgesteuerten Gleichrichters 184 und, über einen
Widerstand- 209, dem Anschluß X angebracht. Ein zweiter Schalter 210, der mechanisch
mit dem Schalter 208 gekoppelt sein kann, ist zwischen dem Tor des siliziumgesteuerten
Gleichrichters 197 und, über einen Widerstand 211, dem Anschluß X angebracht.
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Das Schließen der Schalter 208 und 210 bewirkt, daß ein ausreichender
Triggerstrom an die siliziumgesteuerten Gleichrichter 184 und 197 gelangt, um diese
einzuschalten, welche das Ladegerät in die Stufe für die Pufferladung bringen.
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Ein weiteres Merkmal der in Figur 8 gezeigten Schaltung ist die von
dem Thermistor 185'bewirkte Temperaturkompensa--tion. Der Thermistor 185 ist in
thermischem Kontakt mit den Zener-Dioden 180 und 181 angeordnet, so daß der siliziumgesteuerte
Gleichrichter unabhängig von der Temperatur des Ladegeräts eingeschaltet wird, wenn
eine vorbestimmte Batterieklemmspannung erreicht ist. Die Zener-Dioden 180 und 181
sind temperaturempfindlich und weisen einen positiven
Temperaturkoeffizienten
auf, so daß ein Anwachsen in der Umgebungstemperatur des Ladegeräts das Auftreten
einer niedrigeren Spannung an dem variablen Arm des Potentiometers 182 bewirkt.
Es würde daher für höhere Umgebungstemperaturen des Ladegerätes eine höhere Batterieklemmspannung
notwendig sein, um den siliziumgesteuerten Gleichrichter 184 einzuschalten.
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Da jedoch der Thermistor einen negativen Temperaturkoeffizienten
aufweist3 liefert er, wenn er in thermischen Kontakt mit den Zener-Dioden 180 und
181 gebracht ist, einen niedrigeren Widerstandswert zwischen dem variablen Arm des
Potentiometers 182 und dem Tor des siliziumgesteuerten Gleichrichters 184. Dieser
niedrigere Widerstand bewirkt, daß ein größerer Spannungsabfall parallel zu dem
Widerstand 186 auftritt, so daß ein größerer Anteil der zwischen dem variablen Arm
des Potentiometers 182 und dem Erdpotential anliegenden Spannung dem Tor des siliziumgesteuerten
Gleichrichters 184 bei höheren Umgebungstemperaturen zugeführt wird. Für niedrigere
Umgebungstemperaturen gilt das Umgekehrte. Dies rührt dazu, daß der siliziumgesteuerte
Gleichrichter für alle Umgebungstemperaturen des Ladegeräts bei im wesentlichen
der gleichen Batterieklemmspannung zum Zünden gebracht wird.
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Es ist möglich, eine Vielzahl von Abwandlungen in den Einzelheiten
der obigen Schaltungen durchzuführen, ohne daß hierbei von dem Grundgedanken der
vorliegenden Anmeldung abgegangen wird, der durch die beiliegenden Ansprüche festgelegt
ist.
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Mit der Erfindung werden somit ein Verfahren und ein Schaltkreis
zum Schnelladen von Batterien geschaffen, insbesondere von Säurebleiakkumulatoren,
wobei ein Schnelladen für ein festes Zeitintervall oberhalb des Punktes, an dem
ein starkes Gasen einsetzt, bewirkt wird. Der für das Schnallladen
verwendete
Ladestrom, der vorteilhafterweise größer ist als der nominale Entladestrom, welcher
vom Hersteller bei der Auslegung der Batterie zugrundegelegt wird, kann während
des Ladevorgangs im wesentlichen konstant gehalten werden. Eine Kennlinie der Batterie
wird während des Ladevorgangs überwacht, wobei, sobald ein im voraus festgelegter
bestimmter Wert der Kennlinie erreicht ist, ein Zeitintervall in Lauf gesetzt wird,
während dessen der große Ladestrom beibehalten und an dessen Ende er beendet wird.
Vorteilhafterweise wird ein im voraus bestimmter prozentualer Anteil, beispielsweise
25 ffi der in der Batterie vor dem Beginn des eingestellten Zeitintervalls gespeicherten
Energie in die Batterie während dieses eingestellten Intervalls als Überladung zugeführt.
Der Schaltkreis enthält einen regelbaren Schalter und einen Strommeßfühler für die
Regelung des Ladestromniveaus. Ein siliziumgesteuerter Gleichrichter kann im Ansprechen
auf den Ausgang des Strommeßfühlers einer Phasenregelung unterzogen werden, welche
im wesentlichen von 0° bis 1800 von einer oder beiden Halbwellen einer Wechselstromquelle
reicht. In alternativer Weise kann die relative ins chalt dauer eines Transistorschalters
im Ansprechen auf den Ausgang des Meßfühlers gesteuert werden, damit man das erwünschte
Stromniveau erhält.