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Einrichtung zur Überwachung der Ladung elektrischer Batterien Die
Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Ladung von elektrischen Batterien
von einem Wechselstromnetz über Ladegeräte, welche sich dadurch auszeichnet, daß
sie eine exakte Überwachung des Ladevorganges gewährleistet. Für die Lebensdauer
der Batterie ist es hierbei wichtig, daß die Batterie nicht überladen wird. Aus
diesem Grunde hat man verschiedene Anordnungen angewendet, die den Ladevorgang überwachen
und nach dessen Beendigung eine Abschaltung der Batterie bewirken.
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So ist beispielsweise eine Anordnung bekanntgeworden, bei der parallel
zur Batterie ein Abschaltrelais und eine Glimmlampe in Reihe geschaltet sind. Sobald
bei einer derartigen Anordnung die Batteriespannung einen bestimmten Wert erreicht,
zündet die Glimmlampe, das Relais spricht an und schaltet die Batterie ab. Weiter
ist eine Anordnung bekanntgeworden, bei der während des Ladevorganges die Spannung
an der Batterie überwacht wird und bei Erreichung der Gasungsspannung auf Nachladestrom
umgeschaltet und gleichzeitig ein. Zeitwerk eingeschaltet wird, das dann nach einer
bestimmten Zeit die Ladung ganz abschaltet. Bei einer anderen bekannten Anordnung
zur Spannungsbegrenzung beim Laden von Batterien ist zur Batterie ein Kreis parallel
geschaltet, der eine Diode sowie einen einstellbaren Widerstand und die Wicklung
eines Relais in Hintereinanderschaltung enthält. Sobald hierbei die Spannung der
Batterie einen bestimmten Wert erreicht, zieht das Relais an, wodurch in den Ladekreis
ein Widerstand eingeschaltet wird, der den Ladestrom herabsetzt.
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Nach der Erfindung kann eine Einrichtung zur Ladung einer Batterie,
bei der parallel zur Batterie in Reihe mit einer oder mehreren Dioden ein spannungsabhängiges
Überwachungsgerät angeordnet ist, das bei einem Ansprechen eine Abschaltung des
Ladegeräts von der Energiezufuhr bewirkt, dadurch verbessert werden, daß als Diode
eine Zenerdiode verwendet ist, deren Durchlaßrichtung mit der Richtung des von der
Batteriespannung aufgedrückten Stromes übereinstimmt, sowie daß das überwachungsgerät
bei Überschreitung des Schwellwertes. der Zenerdiode seinen eigenen Stromkreis unterbricht.
Das Überwachungsgerät kann z. B. einen mechanischen Schalter enthalten, der als
Auslöseorgan entweder ein thermisch ansprechendes Organ oder ein elektromagnetisches
schnell ansprechendes Organ aufweist. Es kann hierzu ein Schaltelement mit mechanischen
Schaltkontakten oder auch ein kontaktloses Schaltelement, beispielsweise in Form
einer Drossel, verwendet werden, die im Sperrzustand auf den steilen Teil ihrer
Kennlinie arbeitet, während sie für den Durchlaßzustand mit ihrem Arbeitspunkt durch
eine Steuermagnetisierung auf den Säitigungs" teil ihrer Kennlinie verschoben wird.
Durch das Ansprechorgan kann dann eine entsprechende Vormagnetisierungswicklung
an der gleichstromvormagnetisierten Drossel gesteuert werden.
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Die grundsätzliche Erfindung ist bei beliebigen Arten der Ladung einer
Batterie über Gleichrichter vom Wechselstromnetz anwendbar. So kann sie benutzt
werden in Batterieladeeinrichtungen, bei welchen die Spannung mit zeitabhängig fortschreitendes
Ladung von einem Grundweit von, etwa 2 Volt bei Blebaroberien allmählich bis auf
einen Endwest von etwa 2,7 Volt je Zella ansteigt, wobei gleichzeitig durch die
Kennlinie des der Ladestrom von etwa 100% Ladestrom auf einen niedrigeren. West
absinkt, und zwar z. B. bis auf etwa 25 %, des Anfangswertes des Ladestromes. bei
entladener Batterie. Solche Kennlinien für Stimm und: Spannung sind beispielsweise
in Fig.1 der Zeichnung veranschaulicht. Es sind in dieser Figur die Kennlinien für
die Spannung U und den. Strom J über der Zeitachse t eingetragen. Die Erfindung
ist weiterhin; am wendbar bei einer BattorieladeeMchtung, bei welcher zunächst eine
Ladung bei Bleibatterien von etwa 2 Volt je Zelle bei ansteigendes Spannung bis
auf 2,4 Volt je Zelle bei gleichzeitig von 100'0/0 des Anfangsladestromes auf etwa
40 bis 60% dieses Ladestromes absinkendem Strom stattfindet. Mit Erreichen dieser
Weite findet eine solche Umschaltung der Ladeeinrichtung stritt, daß. anschließend
eine
Nachladung mit einem nur noch geringen Ladestrom nach Art einer
Ladungserhaltung stattfindet, in deren Verlauf die Spannung an der Batterie allmählich
bis auf den Endwert von etwa 2,7 Volt je Zelle, ansteib . Das Wesen einen solchen
Ladebetriebes veranschaulicht die Fig. 2 der Zeichnung. Hierbei ist die Kennlinie
der Spannung wieder mit U und die Kennlinie des Stromes mit J bezeichnet. Beide
Kennlinien sind wieder übeer der Zeit t aufgetragen. Im Zeitraum von t1 bis t2 findet
die Nachladung der Batterie statt. Bei einem Ladebetrieb nach Fig. 2 kann dieser
derart gestaltet werden, daß während der Nachladung kein Ansteigen der Batterriespannung
stattfindet, sondern im Sinne einer Ladungserhaltung, wie sie bei einem Pufferbetrieb
üblich ist, wobei die Spannung von etwa 2,4 Volt je Zelle bei Bleibatterien nicht
überschritten wird.
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Die Erfindung ist weiterhin anwendbar bei einem Batterieladebarieb
gemäß der sogenannten Spannungs-SOrom-Kennlinie, welcher sich dadurch auszeichnet,
daß die Batterieladung zunächst anfangs mit nahezu konstantem Strom und mit Erreichen
der Gasungsspannung der Batterie von etwa 2,4 Volt je Zelle bei Bleibatterien weiter
mixt etwa konstanter Spannung durchgeführt wird. Einen solchem Ladebetneb veranschaulichen
die Kennlinien nach Fig. 3. In dieser sind die Kennlinien für die Spannung U und
für den Strom J abhängig von der Zeit t eingetragen. Bits zurr Zeit t; findet die
Ladung mit nahezu konstantem Strom statt bei bis zur Gasungsspannung von; etwa 2,4
Volt je Zelle bei Bleibatterien ansteigender Spannung U. Oberhalb dieses Zeitwertes.
t1 findet die weitere Ladung mit konstanter Spannung U bei gleichzeitig absinkendem
Strom J statt. Der Strom sinkt dabei auf solche Werbe ab, wie sie etwa dem Ladungserhaltungsbetrieb
einer Batterie entsprechen.
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Es wird nunmehr für die weitere Erläuterung der Erfindung an Hand
von Ausführungsbeispielen auf die weiteren Figuren der Zeichnung Bezug genommen.
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Fig. 4 veranschaulicht eine Anwendung der Erfindung bei einer Batterieladeeinrichtung,
welche gemäß den Kennlinien der Fig. 1 arbeitet. In der Schaltungsanordnung nach
Fig. 4 liegt an. den Klemmen 1 und 2 das speisende Wechselstromnetz; 3 bezeichnet
den Ladtgleichrichter, 4 die zu ladende Batterie. Der Batterie ist als spannungsabhängiger
nichtlinearer Widerstand eine Reihenschaltung von Zenerdioden 5 mit dem gewünschten
Schwellwert, der durch die Zahl dein Zellen der Batterie und deren Spannung bestimmt
ist, parallel geschaltet. Dieser spannungsabhängige nichtlineare Widerstand 5 mit
Schwellwextcharakfier liegt im. Reihe mit dien Auslöser 6. An diesem ist durch.
die beiden Symbole angedeutet, daß er mit Bimetallauslöser oder mit einem elektromagnetischen
Schnellauslöser arbeiten kann. Mit seinem Schaltorgan 6n- wird gleichzeitig ein
Schäleber 7 betätigt, welcher in der Leitung von der Netzklemme 2 zum Ladegerät
3 liegt. Wird an dieser An-ordnung beim Ladebefirieb .ein Spannungsweit der
Bettedle von etwa 2,7 Volt je Zelle (bei Bleibatterien) eaniteiaht, so spricht mit
Erreichen dieses Spannungswertes der spannungsabhängige nichtlineare Widerstand
5 oberhalb seines Schwellwertes an, indem er durchlässig wird. Hierdurch werden
die Auslöse organe des Auslösers 6 von dem emtspmchemdem Strom durchflossen und
kommen zum Ansprechen, so daß das Schaltorgan 6' in seine Ausschaltstellung übergeführt
wird und gleichzeitig auch der Schalter 7 geöffnet wird, so daß die Ladeeinrichtung
vom Netz abgeschaltet ist.
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Die Fig.5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Anwendung der Erfindung
bei einer Ladeeinrichtung, die nach dem grundsätzlichen Prinzip gemäß den Kennlinien
nach Fig.2 arbeitet. Soweit in dieser Schaltung sanordnung wieder die gleichartigen
Schaltungselemente wie in Fig. 4 vorhanden sind, sind für diese der Einfachheit
halber wieder die gleichen Bezugszeichen beibehalten worden. Diese. Schaltung enthält
zusätzlich zu den Schaltungselementen nach Fig. 4 einen Zeitschalter B. Sobald bei
dieser Ladeeinrichtung die Gasungsspannung der Bleibatterie von etwa 2,4 Volt je
Zelle erreicht ist, wird der entsprechend bemessene Schwellweit des spannungsabhängigen
nichtlinearen Widerstandes 5 Überschütten, so daß der Auslöseschalter 6 zum Arsprechen
kommt. Hierdurch wird gleichzeitig der Schalter 7 geschlossen, der bis dahin offen
war. Dadurch wird das Zeitwerk 8 in Gang gesetzt und schaltet nach dar an ihm eingestellten
Zeit, das ist die vorgesehene Nachladezeit der Battede, den. Ladegleiclurichfier
3 vom Netz ab.
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Die Erfindung ist sowohl anwendbar bei einem einstufigen als auch
bei einem mehrstufigem Ladebetrieb. Unter einem mehrstufigen Ladebetrieb ist dabei
beispielsweise ein zweistufiger Ladebetrieb verstanden-, der in einem ersten Zeitabschnitt
und einer ersten Stufe bis zur Gasungtsispannung von etwa 2,4 Volt je Zehre bei
Bleibatterien stattfindet, wonach sich an diesen ein weiterer Zeitabschnitt zur
Nachladung der Batterie in einer zweiten Stufe von etwa 2,4 Volt je Zelle auf 2,7
Volt je Zelle anschließt. Mit Erreichen dieses Batieriespannungswertes von 2,7 Volt
je Zelle wird auf Ladungserhaltung der Batterie umgeschaltet, wonach die Batteriespannung
auf etwa 2,2 Volt je Zelle, absinkt.
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Die Anwendung der Erfindung bei einer solchen Einrichtung veranschaulicht
die Fig.6. In dieses Figur sind an sich zunächst wieder gleichartige Schaltungselemente
vorhanden, wie sie in Fig. 5 zur Anwendung gelangt sind. Es sind daher für diese
Schaltungselemente der Einfachheit halber unmittelbar die gleichen Bezugszeichen.
beibehalten worden. In dieser Fig. 6 ist der Zeitschalter 8 nach Fig. 5 nicht mehr
vorhanden. Diese Fig. 6 enthält als weitere zusätzliche Elemente noch den spannungsabhängigen
nichtlinearen Widerstand 9 aus Zenerdioden., der in Reihe mit dem Auslöser 10 liegt,
sowie den mit diesem mechanisch gekuppelten Schalter 11. Die Einrichtung arbeitet
derart, daß nach einer anfänglichen Ladung der Bleibatterie 4 bis auf etwa 2,4 Volt
je Zelle mit Erreichen dieses Wertes der Schwellwert der Zenerdiode 5 überschritten
wird, wodurch der bis dahin geschlossene Auslöser 6 durch das entsprechende seiner
Organe von Bimetallcharakter oder elektromagnetischem Charakter zum Ansprechen kommt,
so daß er geöffnet, gleichzeitig aber der Schalter 7 geschlossen wird. Dieser Schalter
7 liegt im Stromweg über den Auslöser 10 und dw 7enerdiode 9, welche einen Schwellwert
besitzt, der der Nachladespannung von etwa 2,7 Volt je Zelle entspricht. Wird bei
der Ladung der Batterie von 2,4 auf 2,7 Volt je Zelle der letztere Wart erreicht,
so spricht die Zencx,diode 9 an und wird durchlässig. Hierdurch werden. nunmehr
die Auslöseorgane des im geschlossenen Zustand befindlichem. Auslösers 10 gespeist,
so - daß dieser Auslöser in eisprechender
Abhängigkeit von seinem
elektromagnetischen bzw. thermischen Auslöseorgan öffnet. Dadurch wird auch der
Umschalter 11 betätigt, und der Gleichrichter 3 wird auf Ladungserhaltung umgeschaltet.
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Die Erfindung ist in ihrer Anwendung nicht beschränkt auf die Ladung
einer einzelnen Batterie, sondern auch zur gleichzeitigen Ladung mehrerer Batterien
von dem gleichen Ladegerät in Reihenschaltung anwendbar. Dabei ist wegen der Art
der überwachung nicht erforderlich, daß die beiden Batterien gleiche Kapazität odea@und
gleichen Ladezustand aufweisen, denn die Batterien sind durch die Auslöseorgane
individuell überwacht. Bedingung ist, daß die zu ladenden Batterien ihrem Spannungswert
nach bekannt sind, der Einrichtung des Ladegerätes entsprechen, und zweitens, daß
die in Parallelschaltung zu den einzelnen Batterien benutzten Überwachungseinrichtungen
mit Schwallwertcharakter ebenfalls den Spannungsverhältnissen der Batterien für
ihre Überwachungsfunktion angepaßt sind.
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Eine solche Anwendung veranschaulicht beispielsweise die Fig. 7 der
Zeichnung. In dieser liegt wieder an den Klemmen 1 und 2 das Netz. 3 bezeichnet
das Ladegerät. 4 a und 4 b bezeichnen die beiden zu ladenden Batterien, welche in
Reihe an den Ausgangsklemmen 3 a und 3 b des Ladegleichrichtergerätes 3 liegen.
Der Batterie 4 a ist eine Zenerdiode als spannungsabhängiger nichtlinearer Widerstand
5 a,
der Batterie 4 b eine Zenerdiode als spannungsabhängiger nichtlinearer
Widerstand 5 b parallel geschaltet. Der spannungsabhängige nichtlineare Widerstand
5 a
liegt in Reihe mit einem Auslöser 6a, der spannungsabhängige nichtl neare
Widerstand 5 b in Reihe mit einem Auslöser 6 b. Wie in den anderen Ausführungsbeispielen
ist jeweils mit dem Auslöser ein Schalter 7 a bzw. 7 b mechanisch
gekuppelt und außerdem nunmehr ein mechanischer Umschalter 12 bzw. 13. Befindet
sich der Auslöser 6 a in geschlossenem Zustand, so ist auch der. Schalter 7 a geschlossen,
und außerdem befindet sich das bewegliche Schaltorgan 12a dies Schalters 12 in derjenigen
Stellung, daß es die ruhenden Gegenkontakte 12b und 12c überbrückt. Der gleiche
Sachvorhalt ergibt sich für den Schalter 13. Fallen die Auslöser 6 a bzw. 7 a heraus,
so wird jeweils der Schalter 7 a bzw. 7 b geöffnet, und das bewegliche
Schaltorgan 12a des Schaltons 12 bzw. 13a des Schalters 13 wird derart verstellt,
daß es nunmehr die ruhenden Gegenkontakte 12 d und 12 e bzw. 13 d und 13
e überbrückt.
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Im ersten Zeitraum des Ladebetriebes der beiden Batterien 4 a und
4 b sind also die Auslöser 6 a und 6 b und die Schalter 7 a und
7 b geschlossen. Die Schaftorgane 12a und 13a überbrücken die Schaltkontakte
12 b und 12 c bzw. 13 b und 13 c. Es werde nunmehr unterstellt, daß die Batterie
4 a bei der Aufladung zuerst ihren Endspannungswert erreicht. Es wird dann die Ventilanordnung
5 a als spannungsabhängiger nichtlinearer Widerstand mit Schwellwertcharakter
durchlässig, so daß die Auslöseeinrichtung des Auslösers 6 a mit Strom gespeist
wird. Der Auslöser 6a spricht daher an. Er öffnet den Schalter 7a und schaltet gleichzeitig
an dem Schalter 12 das bewegliche Schaltorgan 1.2a aus seiner Stellung an den Gegenkontakten
12 b und 12 c in diejenige an den Kontakten 12d und 12e um. Da die Schalter 7 a
und 7 b parallel geschaltet sind, wird durch das öffnen von 7a an der Schaltung
nichts geändert. Durch die Umschaltung des Schalters 12 wird jedoch nunmehr dis
Verbindungsleitung zwischen den beiden Batterien 4 a und 4 b bzw.
der Punkt 14 über die Leitungen 15 und 16 an die Ausgangsklemme 17 des Ladegerätes
3 angeschlossen. Hierdurch findet eine westere Ladung der Batterie 4 b mit dem für
die Ladung eineu Batterie umgeschalteten Ladegerät 3 statt.
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Erreicht die Batterie 4 b ihren, Endspannungswert, so spricht der
spannungsabhängige ni.chdmcare Widerstand mit Schwellwertcharakter 5 b an,
so daß er durchlässig wird. Hierdurch wird der Auslöser 6 b gespeist und öffnet.
Dabei wird gleichzeitig der Schalter 7 b geöffnet, so daß nunmehr das Ladegerät
3 vom Netz abgeschaltet wird. Es wird zwar das Schaltorgan 13 a aus seiner Stellung
an den Gegenkontakten 13 b, 13 c in seine Stellung an den Kontakten 13 d und 13
e umgeschaltet, was aber bei der beschriebenen Ladungsfolge ohne Wirkung auf die
Einrichtung ist, da inzwischen das Ladegerät 3 vom Netz abgeschaltet ist.
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Würde an Stelle der Batterie 4a die Batterie 4 b zuerst ihren End.spannungswert
erreicht haben, so hätte sich das gleichartige Spiel, wie es sich, beginnend mit
der Batterie 4a nach der vorausgehenden Beschreibung, ergeben hat, für die Batterie
4 b ergeben, wonach dann anschließend nach erfolgter Umschaltung des Schalters 13
und Anschluß des Punktes 14 der Schaltung über die Leitungen 18 und 19 auf die Ausgangsklemme
20 des Ladegerätes die Batterie 4 a weiter geladen worden wäre und schließlich
5 a
die Abschaltung der Anlage über den Schalter 7a
herbeigeführt hätte.
Hierbei ist unterstellt worden, daß die beiden Batterien 4 a und 4 b verschiedene
Zellenzahlen haben, weshalb beim Weiterladen der einzelnen Batterie auf einen deren
Spannungswert entsprechenden Ausgangswert des Ladegerätes an den Klemmen 17 bzw.
20 umgeschaltet wurde.
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Eine erfindungsgemäße Anordnung läßt sich mit einem gegenüber bekannten
Lösungen wesentlich verringerten Raumbedarf in einem Gerät formenmäßig zusammenfassen.
So ist es auch offenbar ohne weiteres möglich, eine an sich vorhandeane Ladeeinrichtung
auf einfache Weise mit den technischen Vorzügen einer erfindungsgemäßen Anordnung
auszustatten; indem ein Zusatzgerät benutzt wird, welches, den bzw. die spannungsabhängigen
nichtlinearen Widerstände und die entsprechenden Auslöser und Ausschalter in sich
vereinigend, in Verbindung mit einem vorhandenen Ladegerät bei entsprechender Zusammenschaltung
zur Anwendung gelangt.