DE3901096C2 - Vorrichtung zum Laden mindestens einer wiederaufladbaren Batterie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Laden mindestens einer wiederaufladbaren Batterie, welche eine Stromquelle, aus welcher die zum Laden der Batterie benötigte Energie entnommen werden kann, eine Schaltvorrichtung, über welche die Batterie mit der Stromquelle verbunden ist, eine Spannungserfassungs­ vorrichtung zum Erfassen einer an der Batterie entwickelten Spannung, und einen Mikrocomputer, welcher mit der Schaltvorrichtung in Wirkungsverbindung steht und von der Spannungserfassungsvorrichtung angegebene Werte aufnehmen und erarbeiten kann, umfaßt.

Eine Vorrichtung dieser Art ist beschrieben in Hamill, D. C. und Parker, B. R.: Advances in Battery Charging for Portable Video: Low Cost, Microcomputer-Controlled Fast Charging for Ni-Cads, SMPTE Journal, March 1985, Seiten 296 bis 304.

Aus diesem Artikel sind Batterieladevorrichtungen bekannt, welche für einen weiten Bereich von verschiedenen Batterie­ spannungen verwendet werden können.

Aus diesem Artikel ist es weiterhin bekannt, jegliches zu starkes Laden einer aufladbaren Batterie zu verhindern, indem ein Spannungsabfall (-ΔV) erfaßt wird, der auftritt, wenn die Spannung der Batterie bei Beendigung des Ladens einen Scheitelwert erreicht, und indem anschließend ein Ladestrom unterbrochen wird; dies wird als "-ΔV-Ladungssteuerverfahren" bezeichnet.

Ein derartiges Verfahren wird auch in der US 39 38 021 (Kosmin) und in der geprüften japanischen Patentver­ öffentlichung 18177/85 angegeben.

Während das -ΔV-Ladungssteuerverfahren von Vorteil ist, indem die Batterie zuverlässig vollständig geladen und wirksam dagegen geschützt ist, um zu stark geladen, zu Bruch zu gehen oder beschädigt zu werden, treten folgende Schwierigkeiten auf:

Im allgemeinen ist es vorzuziehen, daß der Wert von -ΔV im Bereich von 10 bis 20 mV je einzelliger Batterie für eine Batteriespannung von 1,2 V liegt; im Bereich von 20 bis 40 mV für eine zweizellige Batterie bei einer Batteriespannung von 2,4 V; und im Bereich von 100 bis 200 mV bei einer zehnzelligen Batterie für eine Batteriespannung von 12 V. Wird der Wert von -Δ V auf einen Wert im Bereich von 100 bis 200 mV eingestellt, so wird zwar ein optimales Laden für die zehnzellige Batterie erzielt, jedoch bei der zweizelligen Batterie eine zu starke Ladung erhalten. Wird andererseits der Wert von -Δ V auf einen Wert im Bereich von 20 bis 40 mV eingestellt, so kann zwar ein optimales Laden für die zweizellige Batterie erhalten werden, jedoch wird bei der zehnzelligen Batterie eine zu geringe Ladung erhalten. Das heißt, bei einem festlegenden Wert von -Δ V werden einige Batterien entweder zu stark oder zu schwach geladen, abhängig von der Batteriespannung.

Bei einem anderem Ladeverfahren, bei welchem ein Ladungsbeendigungssignal ausgegeben wird, während die Batteriespannung mit einem Mikrocomputer überwacht wird, treten folgende Schwierigkeiten auf.

Wird die Batteriespannung dem Mikrocomputer über Widerstände für eine Spannungsteilung zugeführt und ferner mittels eines A/D-Umsetzers, so ist der Wert von -Δ V klein, beispielsweise etwa 10 bis 20 mV für eine einzellige Batterie, so daß der Wert von -Δ V nicht unterschieden werden kann, falls die Batteriespannung infolge der Spannungsteilung bei Zuführung zum A/D- Umsetzer weiter abfällt. Wird z. B. beim Laden einer zweizelligen bis zehnzelligen Batterie (2,4 bis 12 V) bei der Teilung die Batteriespannung mittels der Widerstände auf ein Drittel unterteilt, so ist die einem 8-Bit- Umsetzer zugeführte Spannung gleich 0,8 V für die zweizellige Batterie und 4 V für die zehnzellige Batterie. Wird angenommen, daß der Ausgang des A/D-Umsetzers gleich [FF]_H ist, ([  ]_H gibt eine hexadezimale Schreibweise an, und anschließend wird der Index H weggelassen), falls sein Eingang gleich 5 V ist, so ist sein Ausgang gleich [CC] bei 4 V und [28] bei 0,8 V.

Das Auflösungsvermögen bei dem 8-Bit-Umsetzer ist:

Somit ist das Auflösungsvermögen 19,6 mV je Bit. Der Wert von -ΔV der zweizelligen Batterie beträgt 20 bis 40 mV und die dem A/D-Umsetzer zugeführte Spannung ist 6,7 bis 13,3 mV, so daß -ΔV nicht erfaßbar ist. Daher ist es notwendig, den Wert von -ΔV der zweizelligen Batterie zu erhöhen oder als Alternative die Bit-Zahl des A/D-Umsetzers zu erhöhen.

Die DE 35 24 470 A1 beschreibt eine Schaltung zum Laden einer Batterie, bei welcher für die Feststellung des Volladezustandes der Batterie eine Einrichtung zur Erzeugung eines Ladungsabschlußsignales, vorzugsweise ein Thermostat, verwendet wird.

Das Ladegerät gemäß dieser Offenbarung ist zum einen nicht mikrocomputergesteuert, und verwendet zum anderen die Temperatur als Ladungsabschlußkriterium.

Die US 45 83 034 offenbart eine computergesteuerte Batterie­ ladevorrichtung, in welcher der Computer vor allem zur Überwachung der in die Batterie hinein- bzw. herausgeflossenen Ladungsmenge verwendet wird.

Die DE-OS 15 88 334, beschreibt eine Ladevorrichtung, welche sowohl Sechs-Volt-Batterien als auch Zwölf-Volt-Batterien laden kann, ohne daß eine manuelle Umschaltung erforderlich ist. Dieses wird dadurch erzielt, daß zwei Vergleichsmeßschaltungen vorgesehen sind, von denen die Meßwerte der einen einer Batterietype, z. B. einer Sechs-Volt-Batterie, und die der anderen einer anderen Batterietype, z. B. einer Zwölf-Volt- Batterie, zugeordnet sind. Bis zum Erreichen einer Gasungsspannung der Batterie wird diese mit einem hohen Ladestrom gespeist, wobei nach Überschreiten der Gasungsspannung der Batterie der Ladestrom stetig verringert wird, bis die Ladeendspannung erreicht wird.

Sobald die Batteriespannung diesen Spannungswert erreicht hat, wird die Batterie mit einem Ladungshaltestrom geringer Größe versorgt, bis die Batterie vom Ladegerät abgenommen wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batterielade­ vorrichtung zu schaffen, welche ermöglicht, Batterien, die eine variierende Anzahl von Zellen aufweisen, schnell und genau aufzuladen, wobei die Präzision der Erfassung des Ladezustandes der Batterie unabhängig von der Anzahl ihrer Zellen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zum Laden mindestens einer wiederaufladbaren Batterie der eingangs erwähnten Art, welche die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs aufweist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Mit der vorliegenden Erfindung wird eine Reihe von Vorteilen erzielt:

Zum einen ist die erfindungsgemäße Batterieladevorrichtung geeignet, Batterien aufzuladen, deren Zellenzahl variieren kann, ohne daß die Zellenzahl oder nominale Batteriespannung manuell von einem Bediener in das Ladegerät eingegeben werden muß. Damit weist das erfindungsgemäße Ladegerät ein hohes Maß an Flexibilität auf und bietet dabei ferner wegen des minimalen erforderlichen Bedienungsaufwandes ein hohes Maß an Betriebssicherheit.

Gleichzeitig ergibt sich der bedeutende Vorteil, daß die zur Verfügung stehende Präzision bei der Bestimmung des Ladezustandes der Batterie aus dem Zeitverhalten der Ladespannung von der Anzahl der Batteriezellen völlig unabhängig ist. Mit der vorliegenden Erfindung ist es somit gelungen, ein Ladegerät zu schaffen, welches die eigentlich konkurrierenden Anforderungen, nämlich großer Ladespannungs­ bereich einerseits und hohe Präzision beim Detektieren der Batteriespannung über den gesamten Bereich andererseits, gleichzeitig optimal erfüllt.

Viele Merkmale und zusätzliche Vorteile der Erfindung ergeben sich für den Fachmann durch Bezugnahme auf die Einzelbeschreibung und die anliegenden Zeichnungen, in denen eine erfindungsgemäße Ausführungsform als Ausführungsbeispiel dargestellt ist.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Batterieladevorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und

Fig. 2, 3 und 4 Ablaufdarstellungen, die den Betrieb der Vorrichtung erläutern.

Es wird auf die Einzelbeschreibung bevorzugter Ausführungsformen Bezug genommen.

Das erfindungsgemäße Prinzip ist besonders brauchbar, wenn es in einer Batterieladevorrichtung verwendet wird, wie sie beispielsweise in Fig. 1 angegeben ist. In der Figur ist eine Wechselstromquelle (1) mit der Eingangsklemme eines ersten Vollweggleichrichters (3) über einen Transformator (2) verbunden. Der erste Vollweggleichrichter (3) besteht aus zwei Dioden (4, 5) und zwei Thyristoren (8, 9), die wie angegeben verbunden sind. Die Ausgangsklemme des ersten Vollweggleichrichters (3) ist mit einem Ende einer Batterieeinheit (10) verbunden. Die Batterieeinheit (10) umfaßt eine Anzahl wiederaufladbarer Batterien (11), die in Reihe geschaltet sind, und einen Thermostaten (12), der in Reihe zu den Batterien (11) liegt. Der Thermostat (12) hat einen normalerweise geschlossenen Kontakt, der jedoch geöffnet wird, wenn die an den Batterien (11) abgefühlte Temperatur einen vorgegebenen Wert erreicht hat.

Eine Spannungserfassungsschaltung (30) ist vorgesehen, um die an den Batterien (11) entwickelte Spannung zu erfassen und führt die resultierende Spannung einem Mikrocomputer (20) zu. Der Mikrocomputer (20) umfaßt in bekannter Weise eine Zentraleinheit (21), ein ROM (22), ein RAM (23), einen Zeitgeber (24), einen Eingabekanal (25), einen Unterbrechungseingabekanal (26), einen Ausgabekanal (27), und einen A/D-Umsetzer (28), die alle über einen Bus verbunden sind. Die Spannungserfassungschaltung (30) umfaßt eine Diode (31) und Widerstände (32) bis (36). Die Diode (31) hat eine Kathode, die an den Ausgang einer konstanten Spannungsquelle (90) (die später beschrieben wird) angeschlossen ist, und der Widerstand (32) hat ein Ende an die Batterieeinheit (10) angeschlossen, und das andere Ende sowohl an die Anode der Diode (31) als auch an den A/D- Umsetzer (28) angeschlossen. Jeder der Widerstände (33 bis 36) hat ein Ende an einem Verbindungspunkt zwischen dem Widerstand (32) und der Diode (31) angeschlossen, und ein anderes Ende, das mit dem Ausgangskanal (27) verbunden ist. Der Ausgangskanal (27) schaltet die Widerstände (33 bis 36) um, so daß mindestens einer von ihnen selektiv mit ihm verbunden ist. Somit wird die an den Batterien (11) auftretende Spannung am Widerstand (32) und dem mit Masse verbundenen Widerstand entwickelt, und die am letztgenannten Widerstand entwickelte Spannung wird dem A/D-Umsetzer (28) zugeführt, der im Inneren des Mikrocomputers (20) angeordnet ist.

Eine Unterscheidungsschaltung (50) für eine EIN/AUS- Stellung eines Thermostatkontakts ist zwischen der Batterieeinheit (10) und dem Mikrocomputer (20) vorgesehen, so daß EIN/AUS-Zustandsdaten des Thermostatkontaktes dem Eingabekanal (25) des Mikrocomputers (20) zugeführt werden. Die Unterscheidungsschaltung (50) enthält eine Diode (51), einen NPN-Transistor (52) und Widerstände (53 bis 55). Die Diode (51) hat eine an Masse liegende Anode und eine Kathode, die sowohl mit dem Thermostat (12) und mit einem Verbindungspunkt zwischen den in Reihe liegenden Widerständen (53) und (54) verbunden ist. Der Transistor (52) hat eine mit dem Widerstand (54) verbundene Basis, einen mit Masse verbundenen Emitter und einen mit dem Widerstand (55) verbundenen Kollektor. Die Widerstände (53) und (55) sind ferner mit dem Ausgang der konstanten Spannungsquelle (90) verbunden. Ein Verbindungspunkt zwischen dem Kollektor des Transistors (52) und dem Widerstand (55) ist an den Eingabekanal (25) angeschlossen. Die wie vorausgehend beschrieben aufgebaute Unterscheidungsschaltung (50) liefert ein Signal eines Logikwerts "1" an den Eingabekanal (25), wenn der Thermostatkontakt geschlossen ist, während sie ein Signal eines Logikwerts "0" zuführt, wenn der Thermostatkontakt geöffnet ist.

Ein Stromerfassungswiderstand (13) ist an ein anderes Ende der Batterieeinheit (10) angeschlossen, um einen durch die Batterieeinheit (10) fließenden Strom zu erfassen, und eine an dieser entwickelte Spannung wird über eine Integrierschaltung (40) einem A/D-Umsetzer (28) zugeführt. Die Integrierschaltung (40) umfaßt einen Operationsverstärker (41), einen Kondensator (43) und zwei Widerstände (42, 44). Die nichtinvertierende Eingangsklemme des Operationsverstärkers (41) liegt an Masse, und seine invertierende Eingangsklemme ist über den Widerstand (44) mit dem Stromerfassungswiderstand (13) verbunden. Der Widerstand (42) und der dazu parallel geschaltete Kondensator (43) sind zwischen der Ausgangsklemme des Operationsverstärkers (41) und dessen invertierendem Eingang zur Bildung einer Rückkopplungsschleife angeschlossen. Der Ausgang des Operationsverstärkers (41) ist mit dem A/D-Umsetzer (28) verbunden. Die Integrierschaltung (40) dient dazu, dem A/D-Umsetzer (28) eine Spannung zuzuführen, die einem Mittelwert der Ladeströme entspricht.

Eine Nulldurchgang-Erfassungsschaltung (70) ist zwischen dem Unterbrechungskanal (26) und einem Vollweggleichrichter angeordnet, der aus Dioden (6, 7) zusammen mit den Dioden (4, 5) aufgebaut ist, und in dem ein Signal mit einem Logikwert "1" erzeugt wird, so oft die Wechselstromquelle (1) einen Nulldurchgang erfährt. Die Nulldurchgang-Erfassungsschaltung (70) umfaßt einen NPN-Transistor (71) und zwei Widerstände (72, 73). Der Transistor (71) hat eine Basis, die mit einer Klemme des Widerstands (72) verbunden ist, dessen andere Klemme an die Kathoden der Dioden (6, 7) angeschlossen ist. Der Emitter des Transistors (71) liegt an Masse, und sein Kollektor ist über den Widerstand (73) an den Ausgang der Konstantspannungsquelle (90) angeschlossen. Das Logiksignal "1", das von der Nulldurchgangsschaltung (70) erzeugt wird, wird dem Unterbrechungskanal (26) zugeführt, um dadurch die Durchführung eines Unterbrechungsprogramms auszulösen.

Eine Anzeigeschaltung (60) ist vorgesehen, um den Ladezustand anzuzeigen, und umfaßt eine Leuchtdiode (61) und einen damit in Reihe liegenden Widerstand (62). Die Leuchtdiode (61) ist an den Ausgang der Konstantspannungsquelle (90) angeschlossen, und der Widerstand (62) ist mit dem Ausgabekanal (27) verbunden.

Eine Thyristorzündschaltung (80) ist zwischen einem zweiten Vollweggleichrichter, der aus Dioden (4, 5, 6 und 7) besteht und den Gates der Thyristoren (8, 9) angeordnet, um die letzteren abhängig vom Ausgang des Ausgabekanals (27) zu triggern. Die Zündschaltung (80) umfaßt einen PNP-Transistor (81), eine Diode (82) und zwei Widerstände (83) und (84). Der Transistor (81) hat einen Emitter, der mit den Kathoden der Dioden (6, 7) verbunden ist, eine Basis, die mit einer Klemme des Widerstands (84) verbunden ist, an dessen andere Klemme der Ausgabekanal (27) angeschlossen ist, und einen Kollektor, der über den Widerstand (83) mit der Anode der Diode (82) verbunden ist. Die Kathode der Diode (82) ist mit den Gates der Thyristoren (8, 9) verbunden.

Die Konstantspannungsquelle (90) ist an den zweiten Vollweggleichrichter angeschlossen, um eine Konstantspannung (5 V) dem Mikrocomputer (20), der Integrierschaltung (40), der Unterscheidungsschaltung (50), der Anzeigeschaltung (60) und der Nulldurchgang- Erfassungsschaltung (70), wie vorausgehend erwähnt wurde, zuzuführen. Die Konstantspannungsquelle (90) umfaßt eine Diode (91), einen Glättungskondensator (92), einen drei Klemmen aufweisenden Spannungsregler (93) und eine Rückstell-IS (integrierte Schaltung) (94). Die IS (94) gibt ein Rückstellsignal an den Mikrocomputer (20) ab, um diesen in einen Ausgangszustand zu bringen.

Näher wird der Betrieb der auf diese Weise aufgebauten Schaltung unter Bezugnahme auf die Ablaufdarstellungen der Fig. 2 bis 4 beschrieben.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird, wenn die Batterieeinheit (10) an die Ladevorrichtung angeschlossen ist, ein Ladewert LDT und [32] in einem Zähler eingestellt, der die Einschaltzeit und Ausschaltzeit der Leuchtdiode (61) (Stufe 201) bestimmt. In der Stufe 202 wird ein Laden- Merker, der einen Ladezustand angibt, zurückgestellt, und in der Stufe 203 wird ein Scheitelwert-Merker zurückgestellt, der anzeigt, daß die Batteriespannung einen Scheitelwert erreicht hat. In der Stufe 204 werden Batteriespannungsdaten V₀ auf einen Ausgangswert "0" zurückgestellt. In der Stufe 205 wird ein Zeitwert am Zeitgeber auf einen Maximalwert eingestellt und im RAM (23) gespeichert. Die am Zeitgeber somit eingestellte Zeit bestimmt eine Zeitgabe, bei welcher ein Zündsignal zur Triggerung der Thyristoren (8, 9) erzeugt wird. Die am Zeitgeber eingestellte Zeit ist ein Zeitintervall zwischen dem Zeitpunkt, an dem der Nulldurchgang durch die Nulldurchgang-Erfassungsschaltung (70) erfaßt wird und dem Zeitpunkt, an dem das Zündsignal erzeugt wird. Wird dieses Zeitintervall auf einen Maximalwert gebracht, so bedeutet dies, den Leitungswinkel eines jeden der Thyristoren (8, 9) auf einen Mindestwert zu bringen. Sind die Leitungswinkel der Thyristoren (8, 9) zu Beginn des Ladens auf den Mindestwert eingestellt, so ist es möglich, jegliches Fließen eines zu starken Ladestroms zu verhindern und somit eine Zerstörung oder Beschädigung der Ladevorrichtung infolge der Überschreitung des Ladestroms selbst in dem Fall zu verhindern, wo eine kurzgeschlossene oder zu stark entladene Batterie geladen wird.

In der Stufe 206 prüft die Zentraleinheit (21), ob der Kontakt des Thermostats (12) geschlossen oder nichtgeschlossen ist, d. h., ob die Batterieeinheit (10) angeschlossen oder nichtangeschlossen ist. Ist die Batterieeinheit (10) angeschlossen, wird der Laden-Merker in der Stufe 207 gesetzt. Normalerweise wird die Stufe 206 zyklisch durchgeführt, bis die Batterieeinheit angeschlossen ist. Die Durchführung des Unterbrechungsprogramms beginnt zu dem Zeitpunkt, wo ein Nulldurchgang durch die Nulldurchgang-Erfassungsschaltung (70) erfaßt wird. Eine Ablaufdarstellung des Unterbrechungsprogramms ist in Fig. 3 angegeben. Gemäß Fig. 3 prüft beim Start des Unterbrechungsprogramms in der Stufe 301 die Zentraleinheit (21), ob der Laden- Merker gesetzt oder nicht gesetzt ist. Falls die in der Stufe 301 erfolgte Beurteilung ein "ja" ergibt, so wird die Leuchtdiode (61) eingeschaltet, um anzuzeigen, daß sich die Batterien (11) beim Laden (Stufe 310) befinden. Wird der Laden-Merker nicht gesetzt, so geht das Programm weiter zur Stufe 302, in welcher ein Zähler LCNT eine Aufwärtszählung aufeinanderfolgend durchführt, sooft ein Nulldurchgangssignal ausgegeben wird (Stufe 302). In der Stufe 303 prüft die Zentraleinheit (21), ob die Zahl im Zähler LCNT mit dem Wert LDT übereinstimmt oder nicht übereinstimmt.

Ist LCNT gleich LDT, so wird der Zähler LCNT in der Stufe 304 gelöscht. Ist LCNT nicht gleich LDT, so kehrt das Programm zu der in Fig. 2 angegebenen Ablaufdarstellung zurück. In der Stufe 305 prüft die Zentraleinheit (21), ob ein Merker LFLAG gesetzt oder nicht gesetzt ist. Ist der Merker LFLAG gesetzt (1), was anzeigt, daß die Leuchtdiode (61) leuchtet, so geht das Programm zur Stufe 307 weiter, in welcher der Merker LFLAG rückgesetzt wird (0). In der Stufe 309 wird die Leuchtdiode (61) ausgeschaltet, worauf das Programm zur Ablaufdarstellung nach Fig. 2 zurückkehrt. Wird andererseits ermittelt, daß die Leuchtdiode (61) sich im ausgeschalteten Zustand befindet (LFLAG = 0), so geht das Programm weiter zur Stufe 306, in der der Merker LFLAG gesetzt wird (1). In der Stufe 308 wird die Leuchtdiode (61) eingeschaltet, worauf das Programm zur Ablaufdarstellung in Fig. 2 zurückkehrt. Wie vorausgehend erwähnt wurde, ist LDT auf [32] gesetzt worden, was in dezimaler Schreibweise "50" entspricht. Bei einer Wechselstromquelle (1) mit 50 Hz tritt das Nulldurchgangssignal alle 10 Millisekunden auf, so daß der Zählerwert im Zähler LCNT alle 0,5 s in Übereinstimmung mit dem Wert von LDT gebracht wird. Daher blinkt die Leuchtdiode (61) in einem Zyklus von 1 s oder wird abwechselnd alle 0,5 s ein- und ausgeschaltet, um dadurch anzuzeigen, daß die Ladevorrichtung zum Laden bereitsteht. Die Leuchtdiode (61) wird ferner bei Beendigung des Ladens ein- und ausgeschaltet, wie nachstehend beschrieben wird.

In der Stufe 311 wird die am Zeitgeber eingestellte Zeit, wie sie im RAM (23) in der Stufe 205 wie auch in den Stufen 210, 218, 219 gespeichert wurde, aus dem RAM (23) ausgelesen und im Zeitgeber (24) eingestellt. In der Stufe 312 gestattet die Zentraleinheit (21) die Durchführung eines in Fig. 4 angegebenen Zeitgeberunterbrechungsprogramms. In der Stufe 313 wird der Ladestrom In aus dem A/D-Umsetzer (28) im RAM (23) gespeichert, und in der Stufe 314 wird eine Batteriespannung Vn aus dem A/D-Umsetzer (28) ebenfalls im RAM (23) gespeichert, worauf das Programm zur Ablaufdarstellung der Fig. 2 zurückkehrt. Zum Zeitpunkt eines Nulldurchgangs, bei dem kein Ladestrom fließt, kann ein korrekter Wert für die Batteriespannung Vn am Mikrocomputer (20) eingegeben werden, ohne nachteilig durch den Ladestrom beeinflußt zu werden.

Die Durchführung des Zeitgeberunterbrechungsprogramms nach Fig. 4 beginnt, wenn die in der Stufe 311 am Zeitgeber (24) eingestellte Zeit die ablaufende Zeit, beginnend vom Auftreten des Nulldurchgangssignals ist, worauf in der Stufe 401 die Thyristorzündschaltung (80) betätigt wird. Insbesondere erzeugt die Zündschaltung (80) abhängig von einem Signal aus dem Ausgabekanal (27) ein Triggersignal, das den Gates der Thyristoren (8, 9) zugeführt wird. In der Stufe 402 prüft die Zentraleinheit (21), ob 50 Mikrosekunden abgelaufen oder nicht abgelaufen sind. Sind sie abgelaufen, so geht das Programm zur Stufe 403 weiter, in welcher der Betrieb der Thyristor-Zündschaltung (80) ausgeschaltet wird, worauf das Programm zur Ablaufdarstellung nach Fig. 3 zurückkehrt. Die Stufe 402 ist vorgesehen, um sicherzustellen, daß die Thyristoren während 50 Mikrosekunden getriggert werden.

Es wird erneut auf die Ablaufdarstellung der Fig. 2 Bezug genommen. In der Stufe 208 wird der im RAM (23) gespeicherte Ladestrom in einen (nicht dargestellten) im Innern des Mikrocomputers (20) vorgesehenen Akkumulator geladen. In der Stufe 209 wird der Ladestrom In mit einem ersten Bezugswert Ir verglichen. Ist In größer als oder gleich groß wie der Bezugswert Ir, so geht das Programm weiter zur Stufe 212, während, wenn In kleiner als Ir ist, das Programm zur Stufe 210 geht, in welcher die am Zeitgeber gesetzte Zeit um Δ t verringert wird, so daß die Leitungswinkel der Thyristoren (8, 9) vergrößert werden. In der Stufe 211 prüft die Zentraleinheit (21), ob 0,1 s abgelaufen oder nicht abgelaufen sind. Sind sie abgelaufen, so kehrt das Programm zur Stufe 208 zurück. Da der Ladestrom stufenartig alle 0,1 s erhöht wird, erfolgt das Laden allmählich oder ruhig.

In der Stufe 212 prüft die Zentraleinheit (21), ob die am Zeitgeber gesetzte Zeit gleich groß wie oder größer als eine Bezugszeit Tr ist. Ist dies der Fall, geht das Programm zur Stufe 213 weiter, während im verneinenden Fall das Programm zur Stufe 214 fortschreitet. In der Stufe 213 prüft die Zentraleinheit (21), ob 1 min verflossen oder nicht verflossen ist. Ist dies der Fall, geht das Programm weiter zur Stufe 214, in der der Zähler-Ladewert LDT auf [OA] gesetzt wird, und verneinendenfalls kehrt das Programm zur Stufe 208 zurück. Nach Durchführung der Stufe 214 geht das Programm weiter zur Stufe 231, in der der Laden-Merker rückgesetzt wird, in welchem Fall die in Fig. 3 dargestellte Stufe 302 ausgeführt wird, damit die Leuchtdiode (61) im Zyklus von 0,3 s blinkt und dadurch anzeigt, daß die Batterien (11) kurzgeschlossen sind. D. h., da [OA] in dezimaler Schreibweise 10 entspricht, daß der Zähler LCNT alle 0,1 s in Übereinstimmung mit dem Wert LDT gebracht wird. Infolgedessen wird die Leuchtdiode (61) abwechselnd alle 0,1 s ein- und ausgeschaltet, d. h. in einem Zyklus von 0,2 s.

Die Stufen 208 bis 211 sind für das stufenweise fortschreitende Ladesteuerprogramm, bei welchem der Leitungswinkel jeder der Thyristoren (8, 9) zunehmend vergrößert wird, um dadurch zu Beginn des Ladens jeglichen großen Ladestromfluß zu verhindern. Ferner sind die Stufen 209, 212, und 213 für das Programm zur Ermittlung, ob die Batterien (11) beschädigt oder nicht beschädigt sind. Ist der Ladestrom In größer als der Bezugswert Ir, ungeachtet des Umstands, daß die am Zeitgeber gesetzte Zeit größer als der Bezugswert Tr ist, d. h. der Leitungswinkel eines jeden der Thyristoren (8, 9) ist klein, so wird entschieden, daß die Batterien (11) kurzgeschlossen sind. Der Grund zur Überwachung einer 1-min-Periode liegt darin, daß zu stark geladene Batterien von kurzgeschlossenen unterschieden werden sollen, da die Batteriespannung der zu stark geladenen Batterien auf einen vorgegebenen Wert ansteigt, und der Ladestrom klein wird, falls derartige Batterien während einer Dauer von etwa 1 min geladen werden.

Der Ladestromwert In wird in den Akkumulator in der Stufe 215 geladen und mit einem zweiten Bezugswert IR (IR < Ir) verglichen. Ist In gleich IR, so geht das Programm weiter zur Stufe 220, während, falls In größer als Ir ist, das Programm zur Stufe 219 weiterschreitet, um die am Zeitgeber gesetzte Zeit zu vergrößern und damit den Leitungswinkel der Thyristoren (8, 9) zu verringern. Umgekehrt gilt, daß, falls In kleiner als IR ist, das Programm zur Stufe 218 weitergeht, in welcher die am Zeitgeber gesetzte Zeit verringert wird, um dadurch den Leitungswinkel der Thyristoren (8, 9) zu vergrößern. Die Stufen 215 bis 219 sind für ein Konstantstrom-Ladesteuerprogramm, bei dem der Ladestrom auf einen konstanten Wert geregelt wird.

In der Stufe 220 wird die Batteriespannung Vn im Akkumulator geladen, worauf das Programm zur Stufe 221 weitergeht, in welcher die Zentraleinheit (21) prüft, ob der Scheitelwert-Merker gesetzt oder nicht gesetzt ist. Ist der Scheitelwert-Merker gesetzt worden, so geht das Programm zur Stufe 230 weiter, während, falls der Scheitelwert-Merker nicht gesetzt ist, das Programm zur Stufe 222 fortschreitet, in der die Batteriespannung Vn mit einer Mindestbatteriespannung Vi verglichen wird. Falls Vn < Vi ist, geht das Programm weiter zur Stufe 225, in der die Umschaltung der Widerstände (33 bis 36) durchgeführt wird, um die Ausgangsspannung der Spannungserfassungsschaltung (30) um eine Stufe zu erhöhen. Falls Vn gleich groß wie oder größer als Vi ist, geht das Programm weiter zur Stufe 223, in der die Batteriespannung Vn mit der maximalen Batteriespannung Vx verglichen wird. Ist Vn < Vx, so geht das Programm weiter zur Stufe 224, wo die Umschaltung der Widerstände (33) bis (36) erfolgt, um die Ausgangsspannung der Spannungserfassungsschaltung (30) auf eine niedrigere Stufe oder Größe abzusenken. Nach Ausführung der Stufen 224 und 225 geht das Programm weiter zur Stufe 226, in der die Batteriespannung V₀ durch die Batteriespannung Vn ersetzt wird. Ist jedoch in der Stufe 223 der Wert Vn gleich groß wie oder kleiner als Vx, so geht das Programm weiter zur Stufe 227. Die Stufen 222 bis 225 sind zur Durchführung eines Spannungsteilerwiderstand- Wählprogramms, bei dem der geeignetste Widerstand aus den Widerständen (33) bis (36) entsprechend der Spannung der gerade geladen werdenden Batterien (11) ausgewählt wird, womit das Auflösungsvermögen verbessert wird.

In der Stufe 227 wird die Batteriespannung Vn mit den Batteriespannungsdaten V₀ verglichen. Ist Vn gleichgroß wie oder größer als V₀, so geht das Programm weiter zur Stufe 226, in welcher die Batteriespannungsdaten V₀ durch die Batteriespannung Vn ersetzt werden. Ist andererseits Vn kleiner als V₀, so geht das Programm zur Stufe 228 weiter, in der der Scheitelwert-Merker gesetzt wird. Anschließend schreitet das Programm zur Stufe 229 fort, in der die Batteriespannungsdaten V₀ auf den Scheitelwert Vp eingestellt werden.

Die Stufen 226 bis 229 bilden das Programm zur Überwachung, ob die erfaßte Batteriespannung Vn den Scheitelwert erreicht oder nicht erreicht. D. h., die vorausgehend erfaßten oder ersetzten Batteriespannungsdaten V₀ werden mit der laufend erfaßten Batteriespannung Vn verglichen; ist die Batteriespannung Vn kleiner als V₀, so werden die Batteriespannungsdaten V₀ auf den Scheitelwert Vp eingestellt.

Die Stufe 230 dient zur Überprüfung, ob ein Batteriespannungsabfall -Δ V vorliegt oder nicht vorliegt. Ist ein Batteriespannungsabfall vorhanden, so geht das Programm weiter zur Stufe 231, um den Laden-Merker zurückzustellen; ist kein Batteriespannungsabfall vorhanden, so schreitet das Programm zur Stufe 234 fort. Insbesondere wird die Stufe 230 durchgeführt, indem geprüft wird, ob die Batteriespannung von einem Bit-Wert entsprechend dem Scheitelwert Vp um mehr als eine vorgegebene Bit-Ziffer, beispielsweise 2 Bit abgefallen ist. In der Stufe 231, falls der Laden- Merker zurückgestellt ist, wird es dem Programm nicht gestattet, zu den Stufen 310 bis 314 der Ablaufdarstellung der Fig. 3 fortzuschreiten, so daß das Zeitgeberunterbrechungsprogramm gemäß Fig. 4 nicht beginnt. Infolgedessen werden die Thyristoren (8, 9) nicht eingeschaltet, um automatisch den Ladevorgang zu beenden. Wie beim Zustand, bei welchem die Vorrichtung zum Laden bereitsteht, blinkt die Leuchtdiode (61) im Zyklus von 1 s in den Stufen 301 bis 309, um anzuzeigen, daß das Laden beendet worden ist. In der Stufe 232 wird geprüft, ob der Kontakt des Thermostats (12) geschlossen oder nicht geschlossen ist. Ist er geöffnet, falls nämlich die Batterieeinheit (10) entfernt ist, so kehrt das Programm zur Stufe 201 zurück, um dadurch die Ladevorrichtung zum Laden einer weiteren Batterieeinheit (10) bereitzustellen.

In der Stufe 234 wird geprüft, ob der Kontakt des Thermostats (12) geschlossen oder nicht geschlossen ist. Ist er geschlossen, so geht das Programm weiter zur Stufe 235, und nach dem Ablauf einer Zeitspanne von 0,1 s kehrt das Programm zur Stufe 215 zurück. Während dieser Zeitspanne von 0,1 s werden der nächste Ladestrom und die Ladespannung abgegriffen. Falls der Kontakt des Thermostats (12) in der Stufe 234 geöffnet ist, geht das Programm zur Stufe 236 weiter, in welcher der Laden-Merker rückgestellt wird, um dadurch wie in der Stufe 231 das Laden zu beenden. Die Stufen 234 und 235 dienen dem Programm, um zu verhindern, daß die Batterien (11) als Folge einer Überhitzung vor Beendigung des Ladens zerstört oder beschädigt werden. Die Überhitzung würde auftreten, falls die Temperatur der Batterien eine einen vorgegebenen Wert übersteigende Temperatur erreicht. Falls das Laden bei hohen Umgebungstemperaturen erfolgt, kann eine Überhitzung leicht auftreten.

In der Stufe 237 wird die Batteriespannung Vn unmittelbar durch den A/D-Umsetzer (28) in den Akkumulator geladen, und in der Stufe 238 wird geprüft, ob die Batteriespannung Vn gleich Null ist oder nicht ist. Ist sie gleich Null, so geht das Programm zur Stufe 201 zurück, um für das Laden einer weiteren Batterieeinheit (10) bereitzustehen. Ist jedoch Vn nicht Null, so kehrt das Programm zur Stufe 237 zurück, um diese Schleife zu wiederholen: das heißt, die Stufen 237 und 238 dienen zur Prüfung, ob die Batterieeinheit (10) entfernt oder nicht entfernt ist.

Es sei nunmehr angenommen, daß die Spannungsteilerwiderstände (32 bis 36) 10, 3, 5,1, 10, 56 Kilo- Ohm haben und -Δ V einen Spannungsabfall von 2 Bit von einer Bit-Ziffer des Batteriespannungsscheitelwerts Vp entspricht, dann sind die Batterienormspannung, ein Scheitelwert während des Ladens, ein Spannungsteilerverhältnis mittels der Widerstände, eine Spannungsteilung des Scheitelwerts und eine Batteriespannung entsprechend -Δ V bezüglich jeder der verschiedenen Batterieeinheiten mit einer unterschiedlichen Anzahl von Batteriezellen in der nachfolgenden Tabelle angegeben.

Tabelle

Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, würde eine nur kleine Bit-Ziffer genügen, da der Scheitelwert der in der A/D- Umsetzer (28) eingegebenen Batteriespannung innerhalb eines verringerten Bereichs von 2,63 bis 3,55 V liegt. Da ferner die Batteriespannung entsprechend -Δ V sich im Einklang mit der Anzahl der Batteriezellen ändert und einen Wert erreicht, der im wesentlichen -Δ V entspricht, ist es möglich, die volle Ladung der Batterieeinheit zuverlässig zu erfassen und ein zu starkes oder zu geringes Laden der Batterien zu verhindern.

Erfindungsgemäß ist es möglich, da der am Mikrocomputer über die Spannungsteilerwiderstände eingegebene Spannungswert der erfaßten Batteriespannung im wesentlichen ungeachtet der Anzahl der Batteriezellen konstant gehalten wird, die Batteriespannung mit einer verkleinerten Bit- Ziffer darzustellen, womit ein verbessertes Ausmaß des Auslösungsvermögens verursacht wird. Infolgedessen kann der Spannungsabfall -Δ V, d. h. das vollständige Laden der Batterieeinheit, genau erfaßt werden. Da ferner der Spannungsabfall -Δ V von der Batteriespannung abhängt, d. h. von der Anzahl der Batteriezellen, ist es möglich, ein zu starkes oder ein zu schwaches Laden der Batterien zu verhindern.

Ein weiteres vorteilhaftes erfindungsgemäßes Merkmal liegt darin, daß die Wartestellung für das Laden, die Beendigung des Ladens und gefährdete Batterien durch das Blinken einer gemeinsamen Leuchtdiode in verschiedenen Zyklen oder durch ein kontinuierliches Aufleuchten der Leuchtdiode angezeigt werden, so daß es möglich ist, die Anzahl der Anzeigeelemente auf ein Mindestmaß zu verringern. Bei einem derartigen Anzeigemodus kann der Anwender mühelos den angezeigten Zustand erkennen.

Da ferner der Wert der Ladespannung zu Beginn infolge des allmählichen oder ruhigen Beginns des Ladens anfänglich klein ist, selbst wenn eine geladene Batterie zu stark geladen oder kurzgeschlossen ist, wird eine Beschädigung der Ladevorrichtung als Folge eines zu starken Stroms verhindert.

Da ferner der Thermostat mit der Batterieeinheit verbunden ist, ist es möglich, das Laden der Batterieeinheit auf einfache Weise zu beginnen, indem lediglich letzterer an der Vorrichtung eingestellt wird, womit kein mühevoller und zeitaufwendiger Vorgang erforderlich ist.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Laden mindestens einer wiederaufladbaren Batterie, welche eine Stromquelle (1, 3), aus welcher die zum Laden der Batterie benötigte Energie entnommen werden kann, eine Schaltvorrichtung (8, 9), über welche die Batterie mit der Stromquelle verbunden ist, eine Spannungserfassungsvorrichtung (30) zum Erfassen einer an der Batterie entwickelten Spannung, und einen Mikrocomputer (20), welcher mit der Schaltvorrichtung (8, 9) in Wirkungsverbindung steht und von der Spannungserfassungsvorrichtung (30) angegebene Werte aufnehmen und verarbeiten kann, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Spannungserfassungsvorrichtung (30) zum Erfassen der an der Batterie entwickelten, von der Anzahl der Zellen der Batterie sowie deren Ladezustand abhängigen Spannung einen Spannungsteiler (32 bis 36) mit einem vom Microcomputer (20) einstellbaren Teilerverhältnis umfaßt und der dem Microcomputer vom Spannungsteiler zugeführte Spannungswert ein bestimmter Bruchteil entsprechend dem eingestellten Teilerverhältnis des von der Spannungserfassungsvorrichtung erfaßten Batteriespannungswertes ist,
• - der Microcomputer das Teilerverhältnis des Spannungsteilers so einstellt, daß der dem Microcomputer angegebene erfaßte Spannungswert innerhalb eines vorbestimmten Intervalls (V_i, V_x) liegt, und
• - der Microcomputer den Ladevorgang beendet, wenn der ihm angegebene erfaßte Spannungswert um einen vorbestimmten Wert abfällt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Ladestromquelle (1, 3) eine Wechselstromquelle (1) zur Zuführung einer Wechselspannung und
• - einen Vollweggleichrichter (3), der mit der Wechselstromquelle zur Vollweggleichrichtung der Wechselspannung verbunden ist, umfaßt, und
• - die Ladestromquelle eine positive Spannung liefert, die in vorgegebenen Intervallen einen Nulldurchgang aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Vorrichtung ferner eine Stromerfassungsvorrichtung (13, 40) zum Erfassen des wirksamen Batterieladestromes, welche einen erfaßten Ladestromwert an den Mikrocomputer (20) liefert, sowie eine Nulldurchgangserfassungsvorrichtung (70) zur Erfassung von Nulldurchgängen der Spannung der Wechselstromquelle umfaßt, welche für jeden Nulldurchgang ein Nulldurchgangssignal an den Microcomputer (20) liefert, und
• - der Microcomputer abhängig von den von der Spannungserfassungsvorrichtung (30) und Strom­ erfassungsvorrichtung (13, 40) angegebenen Werten sowie dem Nulldurchgangssignal die Schaltvorrichtung (8, 9) steuert, um eine Stromflußzeit zwischen zwei Nulldurchgängen zu bestimmen und den wirksamen Ladestrom einzustellen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltvorrichtung (8, 9) einen Thyristor umfaßt, der ein Gate aufweist, dem ein Steuersignal vom Microcomputer zugeführt wird.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerfassungsvorrichtung einen Ladestromerfassungswiderstand (13) aufweist, der in Reihe mit der Batterie (10) liegt, sowie eine Integrierschaltung (40), die zwischen dem Widerstand (13) und dem Microcomputer (20) zwecks Umwandlung des im Widerstand fließenden Ladestroms in eine dem wirksamen Ladestrom entsprechende Spannung liegt.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Microcomputer (20) das Teilerverhältnis des Spannungsteilers auswählt, nachdem die Batterie (10) während einer vorgegebenen Zeitspanne geladen wurde.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Thermostat (12), der in Reihe mit der Batterie (10) liegt, um eine Temperatur derselben abzufühlen, und der einen Kontakt hat, der geöffnet wird, wenn die Temperatur der Batterie einen vorgegebenen Wert erreicht und der schließt, wenn die Temperatur der Batterie unter dem vorgegebenen Wert liegt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Erfassungsvorrichtung (50) für eine Offen/Schließstellung zur Ermittlung der Offen/Schließstellung des Kontakts des Thermostaten (12), wobei die Erfassungsvorrichtung für die Offen/Schließstellung ein erstes Erfassungssginal erzeugt, wenn der Kontakt geöffnet ist und ein zweites Erfassungssignal, wenn der Kontakt geschlossen ist und der Mikrocomputer (20) abhängig vom zweiten Erfassungssignal eine von Null verschiedene Stromflußzeit einstellt.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Leuchtanzeige (61), welche an den Microcomputer angeschlossen ist, wobei der Microcomputer (20) ein erstes Signal zum Blinken der Leuchtanzeige mit einem ersten Zyklus, ein zweites Signal zum Blinken der Leuchtanzeige mit einem zweiten Zyklus, der länger als der erste Zyklus ist, und ein drittes Signal zum kontinuierlichen Leuchten der Leuchtanzeige erzeugt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtanzeige (61) in dem zweiten Zyklus blinkt, wenn die Vorrichtung zum Laden bereitsteht und wenn das Laden beendet worden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtanzeige (61) während des Ladens kontinuierlich leuchtet.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikrocomputer (20) bestimmt, ob die Batterie kurz­ geschlossen oder zu stark geladen ist, abhängig davon, ob der Ladestrom, der nach dem Laden der Batterie während einer vorgegebenen Zeitspanne erfaßt wird, unterhalb eines vorgegebenen Werts liegt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leuchtanzeige (61) mit dem ersten Zyklus blinkt, wenn die Batterie als kurzgeschlossen ermittelt wird.