DE4336033A1 - Schaltungsanordnung zur Ladung von Batterien - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Ladung von Batterien nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Es ist bekannt, zur Ladung von Bleibatterien Ladegeräte zu verwenden, welche aus einem sogenannten Streufeldtransfor­ mator, einem Gleichrichter, einer Steuerelektronik und einer Schalteinrichtung besteht. Die Schalteinrichtung unterbricht den Energiefluß zum Transformator. Ein derar­ tiges Ladeverfahren ist unter der Kennlinienbezeichnung Wa bekannt.

Unter der Kennlinienbezeichnung WoWa ist ein Schnellade­ verfahren mit den angegebenen Komponenten bekanntgeworden. Zur Verkürzung der Ladezeit wird die Batterie zu Beginn der Ladung mit einem erhöhten Strom geladen. Dieser wird bei Erreichen der Gasungsspannung der Batterie auf den üblichen Wert reduziert, um Schäden an der Batterie zu vermeiden. Zu diesem Zweck wird die Primärwicklung des Transformators umgeschaltet, wofür eine zweite Schaltein­ richtung erforderlich wird. Ein derartiges Schnelladever­ fahren wird in der Regel nur bei großen Traktionsbatterien eingesetzt, also bei Ladegeräten mit einer Leistung von über 1,5 kW.

Es ist bekannt, als Schalteinrichtung ein Schütz oder ein Relais im Primäranschluß des Transformators zu verwenden. Die einwandfreie Funktion der Schalteinrichtung zur Been­ digung der Ladung ist von großer Bedeutung, weil jede weitere Ladung nach Erreichen des Volladezustands der Batterie zur Schädigung führt bis hin zur Zerstörung. Bei der technischen Auslegung der Schalteinrichtung muß daher insbesondere darauf geachtet werden, daß während der üb­ lichen Gebrauchsdauer des Ladegeräts keine Fehlfunktion und insbesondere keine Verschleißerscheinungen zu einem Versagen der Abschaltung führen.

Die Kontakte der üblicherweise verwendeten Schütze werden durch das Ein- und Ausschaltverhalten des Transformators extrem belastet. Dies führt zu einem starken Kontaktver­ schleiß bis zu einem "Kleben" der Kontakte. Um ein Kleben der Kontakte innerhalb der üblichen Gerätelebensdauer mit hoher Sicherheit auszuschließen, ist eine Überdimensio­ nierung erforderlich. Eine Überdimensionierung führt natur­ gemäß zu einem erhöhten Aufwand.

Wird als Schalteinrichtung ein Halbleiter verwendet, muß durch eine entsprechende Auslegung und Kühlung sicherge­ stellt werden, daß keine Kristalltemperaturen auftreten, die zu Diffusionseffekten im Kristall und damit langfri­ stig zum Verlust der Sperrfähigkeit führen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schal­ tungsanordnung zur Ladung von Batterien zu entwickeln, bei welcher ein verringerter Gestehungsaufwand eintritt und die einen verbesserten Schutz bei Ausfällen des Schaltele­ ments gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der Erfindung weist die Schalteinrichtung zwei in Reihe liegende unabhängig betriebene Schaltelemente auf. Das eine wird als übliches Einschalt- und Ausschaltelement für den Ladebetrieb verwendet, während das zweite ständig geschlossen bleibt. Ermittelt die Steuervorrichtung hinge­ gen über Strom- und/oder über Spannungsmessung, mit Hilfe eines Optokopplers, insbesondere an der Primärseite des Transformers oder mit Hilfe eines Schaltsensors, insbeson­ dere am ersten Schaltelement, daß trotz eines Ausschaltbe­ fehls für das erste Schaltelement weiterhin Strom fließt, wird das zweite Schaltelement geöffnet. Dadurch wird die Batterieladung mit Sicherheit beendet. Vorzugsweise ist außerdem eine Fehleranzeige vorgesehen, die das fehler­ hafte erste Schaltelement meldet.

Das zweite Schaltelement unterliegt keinem Verschleiß und muß lediglich für die auftretenden Dauerströme dimensio­ niert werden. Die Steuereinrichtung enthält vorzugsweise ein Kontrollprogramm zur Überprüfung der Funktion bzw. der Schaltzustände der beiden Schaltelemente vor jedem Lade­ vorgang. Bei der Betätigung des zweiten Schaltelements muß dafür gesorgt werden, daß es stromlos geschaltet wird.

Die Schaltelemente können Halbleiterelemente sein. Prak­ tisch werden Relais bevorzugt. Ein Ausfall der ersten Relais bzw. seiner Kontakte kann innerhalb der üblichen Gebrauchsdauer zugelassen werden, da keine Folgeschäden an der Batterie entstehen. Die Schalteinrichtung muß ledig­ lich für die vom Ladegeräthersteller vorgesehene Lebens­ dauer ausgelegt werden. Bei Ladegeräten in einem bestimm­ ten Leistungsbereich brauchen keine Schütze eingesetzt zu werden, was den Aufwand erheblich reduziert. Der Mehrauf­ wand für das zweite Relais ist relativ gering, da ein Kleinleistungsrelais verwendet werden kann. Der Herstel­ lungsaufwand für das erfindungsgemäße Ladungsgerät ist da­ her deutlich verringert bei gleichzeitiger Erhöhung der Sicherheit für die Batterie.

Wird das Ladegerät für das Schnelladeverfahren nach der WoWa-Kennlinie ausgelegt, ist ohnehin eine zweite Schalt­ einrichtung erforderlich. Andererseits erfolgt ein derar­ tiges Schnelladeverfahren nur bei Batterien höherer Lei­ stung. Die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ladegerätes mit zwei Schalteinrichtungen kann daher wahlweise zur Sicherheitsabschaltung herangezogen werden oder zum Schnelladeverfahren nach der WoWa-Kennlinie, indem das zweite Relais für die Umschaltung der Primärwicklung sorgt. Bei höheren Leistungen ist die Verwendung von Schützen unumgänglich. In diesem Fall können die dann vorhandenen beiden Relaiskontakte zur Ansteuerung der Schütze verwen­ det werden, von denen eines zur Ausschaltung des Primär­ kreises und das andere zur Umschaltung der Primärwicklung dient. Dadurch besteht die Möglichkeit, mit einer iden­ tischen Flachbaugruppe sowohl unaufwendige Wa-Ladegeräte mit kleiner Leistung (ohne Schütze) als auch Wa- und WoWa- Ladegeräte großer Leistung (mit Schützen) steuern zu kön­ nen.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung.

Fig. 2 zeigt die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 in gering­ fügiger Abwandlung.

Fig. 3 zeigt den Programmablauf des Kontrollprogramms der Schaltungsanordnung nach der Erfindung.

Ein Streufeldtransformator 10 liegt über Leitungen 12, 14 am Netz und versorgt über eine Gleichrichterbrückenschal­ tung 16 eine Batterie 18. An den Klemmen der Batterie 18 liegt eine Steuereinrichtung 20, welche außerdem mit den Leitungen 12, 14 verbunden ist.

In der Leitung 14 liegen zwei Schaltkontakte 22, 24 von Relais 26, 28, die von der Steuereinrichtung 20 betätigt werden. Der Schaltkontakt 24 ist ständig geschlossen, wäh­ rend der Schaltkontakt 22 wahlweise geöffnet und geschlos­ sen ist. Bei Beginn des Ladebetriebs wird der Schalter 22 geschlossen und geöffnet, wenn die Steuereinrichtung 20, die den Strom und/oder die Spannung an den Batterieklemmen mißt, die Volladung der Batterie 18 ermittelt.

Aufgrund der starken Beanspruchung des Schaltkontakts 22 kann es zu einem "Kleben" kommen, so daß er nicht öffnet trotz eines entsprechenden Steuerbefehls von der Steuer­ einrichtung 20. Die Steuereinrichtung 20 mißt daher nach wie vor einen Strom bzw. eine Ladespannung am Ausgang des Transformators trotz des Ausschaltbefehls für den Schalt­ kontakt 22. Daraufhin wird ein Schaltbefehl für den Schalt­ kontakt 24 erzeugt und dieser entsprechend geöffnet, um den Ladevorgang zu unterbrechen. Da der zweite Schaltkon­ takt 24 ständig geschlossen ist, braucht er nur für den auftretenden Dauerstrom ausgelegt zu sein.

Die Schaltungsanordnung nach Fig. 2 gleicht weitgehend der nach Fig. 1. Es sind daher gleiche Teile mit gleichen Be­ zugszeichen versehen.

Wie erkennbar, ist der vom Relais 28 betätigte Schaltkon­ takt 24a als Umschalter ausgebildet und ermöglicht die Umschaltung der Primärwicklung des Transformators 10 über die Anzapfung 30. Die Schaltung nach Fig. 2 ist daher für ein Schnelladeverfahren nach der WoWa-Kennlinie ausgelegt, wobei nach Erreichen der Gasungsspannung der Batterie 18 eine Umschaltung erfolgt auf die Anzapfung 30, so daß die weitere Ladung mit verminderter Spannung erfolgt.

Mit der zuletzt beschriebenen Schaltungsanordnung kann daher ein Ladegerät mit einer Wa-Kennlinie mit redundantem Abschaltweg und auch ein Ladegerät für die WoWa-Kennlinie gesteuert werden. Lediglich die Ansteuerung des Relais 28 ist unterschiedlich, was entsprechend in der Steuerein­ richtung 20 zu berücksichtigen ist. Daher kann mit einer identischen Flachbaugruppe unterschiedlichen Anforderungen für Wa-Ladegeräte bzw. WoWa-Ladegeräte Rechnung getragen werden.

Die Steuereinrichtung enthält u. a. ein Kontrollprogramm, um sicherzustellen, daß die Funktionssicherheit des Lade­ geräts gegeben ist. Dies wird anhand von Fig. 3 kurz er­ läutert.

Befindet sich zu Beginn des Ladebetriebs vor dem Anklemmen der Batterie bei offenem Kontakt 22 und geschlossenem Kon­ takt 24 am Ausgang des Ladegeräts eine Spannung, liegt zweifellos ein Fehler vor, und es wird zunächst Befehl ge­ geben, den normalerweise geschlossenen Relaiskontakt 24 zu öffnen. Gleichzeitig wird parallel eine Fehleranzeige vor­ genommen. Sie kann auf bekannte vielfältige Weise im Lade­ gerät stattfinden. Liegt keine Spannung am Ausgang, wird von der Steuereinrichtung 20 Befehl gegeben, den Schalt­ kontakt 24 zu öffnen und den Schaltkontakt 22 zu schließen. In diesem Fall dürfte ebenfalls keine Spannung am Ausgang des Ladegeräts vorhanden sein. Falls doch, wird ein Fehler gemeldet und beide Relais 26, 28 werden inaktiviert. Falls keine Spannung am Ausgang liegt, wird zunächst der Relais­ kontakt 24 geschlossen. In diesem Fall müßte Spannung am Ausgang vorhanden sein, so daß dann auch der Ladebetrieb beginnen kann. Falls keine Spannung am Ausgang vorliegt, wird wiederum ein Fehler gemeldet. Nun wird der Relaiskon­ takt 22 geöffnet, die Batterie angeklemmt und der Relais­ kontakt 22 wieder geschlossen. Damit beginnt die Aufladung der Batterie.

Claims (7)

1. Schaltungsanordnung zur Ladung von Batterien mit einem an das Netz angeschlossenen Transformator, einer Schalt­ einrichtung zur Unterbrechung des Stromflusses im Primärkreis des Transformators und einer Steuereinrich­ tung, die den Strom und/oder die Spannung an den Batte­ rieklemmen mißt und u. a. ein Steuersignal für die Schalteinrichtung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalteinrichtung zwei in Reihe liegende unabhän­ gig betriebene Schaltelemente (22, 24) aufweist, von denen im Ladebetrieb das erste als Ein- und Ausschalt­ element (22) dient und das zweite ständig geschlossen ist, und die Steuereinrichtung (20) ein Ausschaltsignal zum Öffnen des zweiten Schaltelements (24) gibt, wenn sie trotz Erzeugung eines Ausschaltsignals für das erste Schaltelement (22) ermittelt, daß das erste Schaltelement nicht ausschaltet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Schaltelemente (22, 24) Relaiskon­ takte sind.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (20) aufgrund einer Messung des Stromes und/oder der Spannung an den Batterieklemmen das Nichtausschalten des ersten Schalt­ elements (22) ermittelt.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (20) einen Op­ tokoppler auf der Primärseite des Transformators auf­ weist, um das Nichtausschalten des ersten Schaltele­ ments (22) zu ermitteln.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (20) einen Schaltsensor am ersten Schaltelement (22) aufweist, um dessen Nichtausschalten zu ermitteln.

6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Relaiskontakt als Umschaltkontakt (24a) ausgebildet ist zur wahlwei­ sen Umschaltung der Primärwicklung des Transformators (10).

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (20) ein Kontrollprogramm (Fig. 3) enthält zur Überprüfung der Funktion bzw. Schaltzustände der beiden Schaltele­ mente (22, 24, 24a).