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DE4027149A1 - Elektronische spannungs- und temperaturgeregelte batterieheizung - Google Patents

Elektronische spannungs- und temperaturgeregelte batterieheizung

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DE4027149A1
DE4027149A1 DE19904027149 DE4027149A DE4027149A1 DE 4027149 A1 DE4027149 A1 DE 4027149A1 DE 19904027149 DE19904027149 DE 19904027149 DE 4027149 A DE4027149 A DE 4027149A DE 4027149 A1 DE4027149 A1 DE 4027149A1
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische spannungs- und temperaturgeregelte Batterieheizung (nachstehend Batterieheizung genannt), die hauptsächlich für 12 Volt-Blei-Akkumulatoren Verwendung finden soll.
Die Batterieheizung ist in einem Gehäuse (26) von ca. 100 × 100 × 15 mm eingebaut und wird an der Batterie (27) mit einer doppelseitigen Klebefolie (23) angebracht.
Batterieheizungen ermöglichen bei fallender Außentemperatur eine höhere Innentemperatur in der Batterie. Dadurch ist eine höhere Kapazitätsentnahme möglich. Bei Bleiakkumulatoren sollte die Zellen­ spannung möglichst nicht unter 1,8 Volt absinken, da sonst das ge­ bildete Bleisulfat (Pb SO4) zu große Kristalle bildet, die beim Laden nicht mehr umgewandelt werden können. Dieser Vorgang wird durch eine Batterieheizung möglichst lange hinausgezögert oder verhindert, je nachdem, wie und welcher Verbraucher an die Batterie angeschlossen wird.
Dadurch wird die Lebensdauer der Batterie erhöht und im Bedarfsfalle steht eine größere Kapazität zur Verfügung. Größere Starterbatterien können daher kleiner dimensioniert werden. Durch die Verlängerung der Lebensdauer (z. B. einer Kfz-Batterie) wird auch ein wesentlicher Beitrag zur Umweltentlastung geleistet, da weniger defekte Batterien in die Deponien angeliefert werden.
Es sind Batterieheizungen mit Warmluftgebläsen bekannt. Der Wir­ kungsgrad ist hier aber sehr schlecht. Eine verstärkte Isolierung der Batterie (wenn sie aus Platzgründen möglich ist) hält die wünschenswerte Innentemperatur der Batterie nur für kurze Zeit aufrecht.
Ein Bleiakkumulator sollte möglichst eine konstante Innentemperatur von ca. 18° oder zumindest eine Temperatur von 0° Celsius haben, um seine höchstmögliche Leistung zu erreichen. Wenn die Batterie in einem Fahrzeug untergebracht ist, wird das in den seltensten Fällen möglich sein.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe durch eine kleine elektronische spannungs- und temperaturgeregelte Batterie­ heizung, die direkt aus der zu heizenden Batterie (27) mit 12 Volt gespeist wird und die erzeugte Wärmemenge über die Außenwand (20) der Batterie in deren Innenraum leitet. Dadurch wird ein hoher Wirkungsgrad erreicht und die Batterie kann sich selbst erwärmen. Gleichzeitig gibt die neue Batterieheizung kaum Verlustwärme an die Umgebung ab. Durch den dadurch erreichten hohen Wirkungsgrad der Batterieheizung bleibt die Kapazität der Batterie für lange Zeit erhalten, je nach Größe, Leistung und der herrschenden Außentemperatur.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines elektrischen Schalt­ planes (S9) und einer Gehäusezeichnung (S10) erläutert.
Auf der Aluminium-Grundplatte (18) des Gehäuses sind 4 Leistungs­ transistoren (z. B. NPN Transistor BU408) angebracht (12, 13, 14, 15). Die Aluminiumplatte dient hierbei als Kühlkörper für die Transistoren. Neben den Transistoren ist eine Platine (19) mit den Schaltungsbauteilen angebracht.
Auf der Platine befindet sich eine Batteriespannungsüberwachungs­ steuerungsschaltung und zwei unabhängig voneinander arbeitende Temperatursteuerungsschaltungen. Der Stromanschluß (12 Volt) für die Transistoren und die elektronische Steuerschaltung wird mit zwei ca. 30 cm langen isolierten Drahtlitzen (2, 5) (17) über zwei Abgriffklemmen (16) vom Plus- und Minuspol der Batterie, die beheizt werden soll, entnommen. Der Pluspol wird durch eine "fliegende Sicherung" (21) am Kabel von 2 A abgesichert. Auf der Grundplatte werden die beiden Anschlußlitzen (Kabel) direkt an die hintereinandergeschalteten Leistungstransistoren verlötet.
Der erste Transistor dient als Schalttransistor (12) und wird von einem IC-LM 741 (8) der 1. Temperatursteuerung über eine Diode angesteuert. Solange der Operationsverstärker 741 dieser Temperatur­ steuerung am Ausgang Pin 6 noch eine Ausgangsspannung von ca. 1,87 Volt hat, wird der Schalttransistor T1 noch nicht durchgeschaltet. Der NTC-Widerstand (10) der 1. Temperaturschaltung ist am Gehäuse, das über der Aluminiumplatte angebracht ist, angelegt und mißt die Außentemperatur am Gehäusedeckel der Batterieheizung. Gleichzeitig wird mit diesem NTC-Widerstand die Temperatursteuerungsschaltung bei einer Außentemperatur von über 18° unwirksam gemacht.
Der 4,7 k-Ohm-Widerstand (5) der 1. Temperaturschaltung läßt die Schaltung bei ca. 18° Außentemperatur am Gehäuse ansprechen. Hierbei schaltet der Operationsverstärker am Pin 6 auf high und die Spannung erreicht hier einen Wert von ca. 10 Volt, die nun den Schalttransistor T1 leitend werden läßt, der die Spannung über eine Diode (3) zugeführt bekommt. Es fließt jetzt ein Schaltstrom durch die Transistoren T1 bis T4 (12, 13, 14, 15) von ca. 800 bis 1000 mA. Die dabei entstehende Wärme wird über die Aluminiumgrundplatte (18), die nun als Kühlblech dient, abgeleitet und durch Ankleben an die Batterieaußenwand direkt in das Batterieinnere abgeleitet.
Die 2. Temperaturschaltung ist baugleich wie die 1. Temperatur­ schaltung, jedoch ohne den 4,7 k-Ohm-Widerstand (4).
Dadurch schaltet der Operationsverstärker (9) dieser Schaltung erst bei ca. 5° durch den am Gehäuse anliegenden NTC-Widerstand (11) auf high. Die Temperatur wird bei Erreichen der Außentemperatur von ca. 5° nun in diesem Bereich geregelt und die Leistungstransistoren in diesem Temperaturbereich sporadisch durchgeschaltet. Gleichzeitig wird über eine Diode (22) von Pin 6 der 2. Temperatursteuerung eine zusätzliche Spannung auf den Schalttransistor T1 gegeben und dadurch die Stromdurchlässigkeit des Schalttransistors gesteigert. Der Stromfluß in den Transistoren 1-4 erhöht sich nun kurzfristig auf ca. 1,5 A und das Kühlblech (Grundplatte) (18) wird wesentlich heißer. Dadurch wird die Batterie auch stärker erwärmt.
Die Batterieheizung wird hierdurch einmal bei ca. 18° Plus und ein­ mal bei ca. 5° Plus mit unterschiedlicher Stromstärke geregelt. Eine Dauerstromheizung der Leistungstransistoren wird dadurch bei fallender Temperatur weitgehend vermieden und die Stromentnahme aus der Batterie erfolgt impulsweise bei ca. 18° und dann wieder bei ca. 5°.
Die im Schaltplan (S9) abgebildete Batteriespannungsüber­ wachungssteuerung ist durch ihre beiden Regler von 10 k-Ohm auf eine Batterieunterspannung von 11,5 Volt und auf eine Batterie­ überspannung von 13,5 Volt eingestellt, die am IC-TCA 965 (7) am Ausgang 2 und 14 als Minusspannung abgegriffen wird. Am Pin 13 wird als Kontrolle für die dazwischenliegende Spannung (11,5 Volt bis 13,5 Volt) eine LED-Lampe (6) geschaltet. Wird nun am Pin 2 oder 14 (1) eine Minusspannung geschaltet, erlischt die LED-Lampe und über eine Diode wird eine Minusspannung auf den Pin 3 der 1. und 2. Temperatursteuerung gelegt (2).
Dadurch wird Pin 6 der beiden IC-741 (8, 9) auf low geschaltet und der Schaltstrom für den Schalttransistor T1 (12) heruntergeschaltet und gleichzeitig die Leistungs-Transistoren (T2-4) gesperrt. Die LED-Lampe (6) erlischt und die Schaltung benötigt nur noch einen Reststrom von ca. 8-10 mA, bis die Batterieheizungsschaltung wieder aktiviert wird. Dadurch wird gleichzeitig eine Überhitzung der Batterie beim Aufladen vermieden.
Der Innenraum des Batterieheizungsgehäuses ist mit einer Silicon-Zweikomponentenmasse (24) ausgegossen und sichert dadurch alle Bauteile vor Feuchtigkeit, Säure, Erschütterung und Brand. Die ausgehärtete Siliconmasse speichert gleichzeitig die entstehende Wärme der Batterieheizung noch für einige Zeit und erhöht so den Wirkungsgrad. Als Silicon-Zweikomponentenmasse kann man z. B. Silgard 170 A und B der Firma Dow Corning verwenden. Das ist eine handelsübliche, in der Elektroindustrie verwendete, Vergußmasse.

Claims (8)

1. Elektronische spannungs- und temperaturgeregelte Batterie­ heizung, die auf einer Aluminium-Platte (18) vier Leistungs­ transistoren (BU 408) (12, 13, 14, 15) montiert hat, die bei Erwärmung diese Aluplatte als Kühlblech benutzen und die entstehende Wärme über eine Klebefolie (23) auf der Aluplattenrückseite auf die zu erwärmende Batterie (27) übertragen. Die benötigte Spannung wird über zwei Abgreifklemmen (16) und zwei Anschlußkabel (17) direkt zu der Aluminiumplatte geführt. Auf der Platte befindet sich eine LED-Kontrollampe (6) und die Steuerschaltung (bestehend aus einer Batterieüberwachungssteuerung und zwei unabhängig voneinander arbeitenden Temperatursteuerungen). Über diese Schaltungseinheit (19) wird ein Gehäuse (26) aus Metall oder Kunststoff angebracht und der Innenraum mit einer Zweikomponenten-Silicon-Vergußmasse (24) ausgefüllt.
2. Elektronische spannungs- und temperaturgeregelte Batterie­ heizung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Steuerschaltung enthaltene Batterieüberwachungssteuerung über zwei Dioden (1) vom IC-TCA 965 Pin 14 und 2 auf die 1. und 2. Temperatursteuerung des IC-741 Pin 3 (2) (bei Anliegen einer Minusspannung) den Spannungsausgang des IC 741 am Pin 6 auf low oder high schalten.
3. Elektronische spannungs- und temperaturgeregelte Batterie­ heizung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Steuerschaltung enthaltenen beiden, unabhängig vonein­ ander arbeitenden, Temperatursteuerungen (Ansprechempfindlich­ keit bei ca. 18° und 5° Plus) über den IC-741 (8, 9) Pin 6 jeweils bei Aktivierung der Schaltung über eine Diode (3, 22) eine Plus-Spannung auf die Basis des Schalttransistors T1 (12) geben und so den Stromfluß im Schalttransistor, je nach Einstellung der Temperatursteuerung, im Transistor T1 bis T4 (12, 13, 14, 15) verändern. Dabei wird vor die Diode der Temperatursteuerung ein Widerstand von 500 Ohm (28) geschaltet, um die Spannung zu begrenzen und den Steuerstrom in den Transistoren nicht zu groß werden zu lassen.
4. Elektronische spannungs- und temperaturgeregelte Batterie­ heizung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Leistungstransistoren (12, 13, 14, 15), die als Heizung dienen, ein einziger Leistungstransistor mit ähnlicher Wärmeentwicklung montiert wird oder daß über einen Schalttransistor eine Heizfolie, ein Heizdraht, Warmluftgebläse oder ein Peletier-Element angesteuert wird und die Temperatur der Aluminiumgrundplatte (18) der Batterieheizung beeinflußt.
5. Elektronische spannungs- und temperaturgeregelte Batterie­ heizung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergußmasse auch aus anderen Materialien bestehen kann, die ähnliche Eigenschaften, wie eine Silicon-Zweikomponentenmasse aufweisen.
6. Elektronische spannungs- und temperaturgeregelte Batterie­ heizung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Aluminiumplatte angebrachte doppelseitige Klebefolie (23) zum Befestigen des Batterieheizungsgehäuses an der Batterie nicht angebracht wird und das Gehäuse (26) mittels einer Spannvorrichtung oder einem Klebstoff an der Batterieaußenseite befestigt wird.
7. Elektronische spannungs- und temperaturgeregelte Batterie­ heizung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Steuerschaltung für die Batterieheizung in einem IC zusammengefaßt wird und damit die Produktion der Batterie­ heizung um ein wesentliches vereinfacht wird.
8. Elektronische spannungs- und temperaturgeregelte Batterie­ heizung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Batterieheizung fest in die Batterie oder das Gehäuse der zu erwärmenden Batterie eingebaut und angeschlossen wird.
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