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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufladen einer
wiederaufladbaren Batterie gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 und eine Vorrichtung zum Aufladen einer
wiederaufladbaren Batterie gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 4.
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Die Erfindung ist für die Verwendung im Zusammenhang mit dem
Wiederaufladen der Anlasser bzw. Starterbatterie bei
Schiffsmotoren vorgesehen. Die Erfindung ist insbesondere für
die Anwendung bei Segelbooten geeignet, da die bei
Segelbooten verwendeten Motoren normalerweise nur wenige 20
bis 30 Minuten bei jedem Betriebsvorgang laufen. Dies hat zur
Folge, daß die Batterie nicht immer auf ihre volle Kapazität
aufgeladen werden muß.
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Das Wiederaufladen einer Anlasserbatterie wird normalerweise
mit Hilfe eines Wechselstromgenerators durchgeführt. Einem
derartigen Generator nach dem Stand der Technik wird eine
Regulierspannung ausgehend von einem Spannungsregulator
zugeführt, welcher seinerseits eine Bezugsspannung von dem
positiven Anschluß der Batterie erfaßt. Falls die
Bezugsspannung niedriger ist als ein Wert, welcher einer
bestimmten nominalen Aufladespannung entspricht, beeinflußt
der Regulator den Generator, wobei er diesen dazu bringt, die
Aufladespannung, welche der Batterie zugeführt wird, zu
erhöhen. In entsprechender Weise vermindert der Generator die
Aufladespannung, welche der Batterie zugeführt wird, wenn die
Bezugsspannung die normale Bezugsspannung überschreitet.
Diese Anordnung stellt sicher, daß das Aufladen der Batterie
stets bei einem Spannungswert erfolgt, der im wesentlichen
konstant und gleich der nominalen Aufladespannung ist.
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Es ist allgemein erwünscht, daß die Batterie so schnell wie
möglich aufgeladen werden kann, damit die Batterie schnell
erneute Stromabflüsse verkraftet. Im Prinzip hängt diese
Möglichkeit von dem nominalen Wert der Spannung ab, welche
auf einen vergleichsweise hohen Pegel eingestellt wird, um
sicherzustellen, daß das Aufladen der Batterie mit einem
hohen Aufladestrompegel solange wie möglich fortschreitet.
Jedoch ist es in der Realität notwendig, die nominale
Spannung zu beschränken, um einerseits nicht Beschädigungen
an der Batterie zu riskieren und andererseits ein Kochen der
Batterie zu vermeiden, was Sicherheitsrisiken mit sich
bringen würde.
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Aus der FR 2 550 396 ist bereits eine Vorrichtung bekannt,
mit welcher eine Batterie bei einer Spannung, welche die
Nominalspannung nicht überschreitet, schnell aufgeladen
werden kann. Dies wird erreicht, indem man einen bestimmten
Spannungsabfall zwischen dem positiven Anschluß der Batterie
und dem Regulator gewährleistet, wodurch der Regulator dazu
veranlaßt wird, so zu wirken, als ob die Referenzspannung
niedriger als tatsächlich ist. Auf diese Weise erreicht die
Spannung, welche durch den Generator erzeugt wird, einen
Spannungswert, der die Nominalspannung erhöht, und dem
hervorgerufenen Spannungsabfall entspricht. Um nicht zu
riskieren, daß die Batterie beschädigt wird, wird dieser
Spannungsabfall für eine vorbestimmte, begrenzte Zeitdauer,
beispielsweise über 30 Minuten beibehalten, wobei nach dieser
Zeitdauer das Aufladen erneut mit der nominalen
Aufladespannung erfolgt.
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Ein diesem Verfahren innewohnender Nachteil besteht darin,
daß es unmöglich ist, festzustellen, ob die Batterie den voll
aufgeladenen Zustand erreicht hat, nachdem die ausgewählte
Zeitdauer verstrichen ist. Bei einer Ausführungsform dieser
Vorrichtung nach dem Stand der Technik kann der
Spannungsabfall daher in Abhängigkeit von der Größe des
Batterie-Aufladestroms eingeführt bzw. angelegt werden, wobei
der Batterie-Aufladestrom gemessen wird und mit einem
vorbestimmten Grenzwert verglichen wird. Solange der
Aufladestrom nicht diesen Grenzwert überschreitet, wird der
Spannungsabfall angelegt und die Batterie wird mit einer
Spannung aufgeladen, welche höher ist als die
Nominalspannung. Auch diese Abwandlung besitzt insofern einen
Nachteil, als die Messung des Stroms mit Hilfe einer
Hall-Sonde durchgeführt wird, wodurch der Meßvorgang zu
kompliziert und zu teuer wird.
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Ferner beschreibt die Patentschrift US 4 136 311 eine
Anordnung zum Aufladen einer wiederaufladbaren Batterie mit
einem dualen Spannungsgenerator. Diese Anordnung lädt beim
Start bei einem ausreichend hohen Spannungsregulierpegel auf,
um ein schnelles Aufladen der Motorbatterie auf einen
vorbestimmten Pegel zu gewährleisten und setzt dann das
Aufladen mit einem niedrigeren Spannungsregulierpegel fort.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
schnelles Aufladen einer wiederaufladbaren Batterie durch
optimale Verwendung der Generatorkapazität über eine
vorbestimmte begrenzte Zeitdauer sicherzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und
eine Vorrichtung, wie sie in der Beschreibungseinleitung
beschrieben werden, erreicht, wobei die kennzeichnenden
Merkmale jeweils in den beigefügten Hauptansprüchen 1 und 4
angegeben sind.
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Die Erfindung schafft eine Vorrichtung mit einem einfachen
Aufbau, die lediglich eine geringe Anzahl von Bauelementen
besitzt und daher mit geringen Kosten hergestellt werden
kann. Insbesondere die Messung der Batteriespannung wird
mittels eines unkomplizierten Spannungsmeßschaltkreises
durchgeführt. Zusätzlich kann die Vorrichtung in einfacher
Weise bei einer vorhandenen Regulationseinrichtung
installiert werden bzw. nachgerüstet werden, indem man sie
einfach zwischen die Batterie und den Regulator schaltet. Die
Erfindung macht dabei von der Generatorkapazität zu einem
höheren Grad Gebrauch und das Aufladen der Batterie kann in
einem größeren Ausmaß erfolgen, als es bisher möglich war.
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Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die
beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 ein Schaltkreisdiagramm einer Vorrichtung gemäß der
Erfindung;
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Fig. 2 eine Darstellung eines Aufladevorgangs bei der
Technik gemäß dem Stand der Technik; und
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Fig. 3 eine Darstellung eines entsprechenden
Aufladevorgangs unter Verwendung der
erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Fig. 1 stellt schematisch eine Vorrichtung gemäß der
Erfindung dar. Ein Widerstand 1 ist an den positiven Anschluß
der Batterie (nicht gezeigt) über den Anschluß B+
angeschlossen. Das gegenüberliegende Ende des Widerstands 1
ist an einen Spannungsteiler angeschlossen, welcher durch
zwei zusätzliche Widerstände 2, 3 gebildet wird. Die an dem
Auslaß des Knotenpunktes zwischen den beiden Widerständen 2
und 3 erhaltene Spannung, wird an den positiven
Eingangsanschluß eines Operationsverstärkers 4 angelegt,
welcher an einen Komparator gekoppelt ist. Ein variabler
Widerstand 5 ist zwischen dem positiven Anschluß der
Batterie, welcher durch B+ in der Zeichnung angezeigt wird,
und dem negativen Anschluß der Batterie, welcher als GND
(ground bzw. Masse) angezeigt wird, angeschlossen. Der
variable bzw. verschiebbare mittlere Auslaßanschluß des
Widerstands 5 ist an den negativen Anschluß des
Operationsverstärkers 4 angeschlossen.
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Ein Kondensator 6, welcher zwischen dem Widerstand 1 und Masse
liegt, ist dafür vorgesehen, Spannungswellen bzw.
Brummspannung, d. h. geringfügige Spannungsschwankungen zu
beseitigen. Zwei Dioden 7, 8, welche parallel zu dem
Spannungsteiler 2, 3 liegen, dienen dazu, die Messung der
Batteriespannung unabhängig von Temperaturveränderungen zu
machen und eine Referenzspannung zu liefern, welche an den
positiven Eingangsanschluß des Operationsverstärkers 4
angelegt wird. Eine der Dioden, nämlich die Diode 7, besitzt
eine Anode, welche an den positiven Anschluß (B+) der
Batterie angeschlossen ist, wobei ihre Kathode an die Kathode
der zweiten Diode 8 angeschlossen ist. Die zweite Diode 8,
bei der es sich um eine Zener-Diode handelt, besitzt eine
Anode, welche an den negativen Anschluß (GND) der Batterie
angeschlossen ist. Die Kombination, welche durch die Dioden
7, 8 gebildet wird, hat eine temperaturausgleichende Wirkung
(die Diode 8 besitzt einen positiven Temperaturkoeffizienten,
wohingegen die Diode 7 einen negativen
Temperaturkoeffizienten besitzt).
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Die Basis eines Transistors 10 ist an den Ausgangsanschluß
des Operationsverstärkers 4 über einen strombegrenzenden
Widerstand 11 angeschlossen. Ein Widerstand, welcher als ein
pull-up- bzw. Hochziehwiderstand 12 bekannt ist, ist zwischen
dem positiven Anschluß (B+) der Batterie und dem
Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 4 angeschlossen,
um einen Versorgungsstrom an den Transistor 10 zu liefern.
Solange der Spannungswert an den negativen Eingangsanschluß
des Operationsverstärkers 4 niedriger ist als der
Spannungswert an dessem positiven Ausgangsanschluß, ist der
Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 4 hoch, was
bedeutet, daß der Transistor 10 an- bzw. durchgeschaltet ist.
In der Realität entspricht jeder Zustand der Situation, wenn
der Motor gerade gestartet worden ist und die Batterie so
schnell wie möglich aufgeladen werden muß.
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Ein Relais 13, welches in Reihe zu dem Transistor 10
geschaltet ist, und welches mit einer Schutzdiode 16 versehen
ist, wird in diesem Stadium aktiviert. Dies bedeutet, daß ein
Kontakt 14, welcher in dem Relais 13 vorhanden ist, geöffnet
wird. Dies hat zur Folge, daß eine Diode 15, welche parallel
zu dem Kontakt 14 liegt und mit ihrer Kathode an den
Spannungsregulator (nicht gezeigt) über einen Anschluß R
angeschlossen ist, in den Schaltkreis zwischen die Batterie
und den Spannungsregulator geschaltet wird. Die durch den
Regulator empfangene Spannung, die nunmehr als
Regulierspannung dient, um es dem Generator zu ermögliche,
die Batterie wieder aufzuladen, ist in diesem Stadium gleich
der Batteriespannung vermindert um den
Vorwärtsspannungsabfall, welcher über die Diode 15 besteht.
Mit anderen Worten, dem Regulator wird vorgespielt, daß die
Batteriespannung niedriger ist als sie tatsächlich ist.
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Wenn die Batterie wiederaufgeladen wird, erhöht sich die
Batteriespannung entsprechend, wobei, wenn die Spannung einen
bestimmten oberen Grenzwert erreicht hat (welcher durch die
Einstellung des variablen Widerstands 5 bestimmt wird),
die Spannung an dem negativen Eingangsanschluß des
Operationsverstärkers höher als die Spannung an dessem
positiven Eingangsanschluß wird, was bedeutet, daß der
Ausgangsanschluß des Operationsverstärkers 4 niedrig wird und
der Transistor 10 abgeschaltet wird bzw. sperrt. Als Folge
davon wird das Relais 13 deaktiviert, wobei dies einem
Schließen des Kontakts 14 entspricht. Dies hat seinerseits
zur Folge, daß die Diode 15 kurzgeschlossen wird. Von dem
Moment an, wenn die Batterie ihren oberen Grenzwert erreicht
hat, erfaßt der Spannungsregulator daher die "wahre"
Batteriespannung.
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Wenn die Batteriespannung erneut auf einen Pegel unterhalb
eines vorbestimmten unteren Spannungswertes abgesunken ist,
wird die Spannung an den negativen Eingangsanschluß des
Operationsverstärkers erneut niedriger sein als die Spannung
an dessen positiven Eingangsanschluß. Der untere Grenzwert
wird durch das Einstellen eines variablen Widerstands 9
bestimmt, welcher zwischen dem Ausgangsanschluß des
Operationsverstärkers 4 und dessen positiven Eingang
geschaltet ist. Dies führt zu einem Hysterese-Effekt. In
Übereinstimmung mit der obigen Beschreibung wird die Diode 15
erneut in den Schaltkreis geschaltet und das Aufladen der
Batterie wird erneut gestartet. Dieser untere Grenzwert wir
normalerweise derart ausgewählt, daß er derjenigen Situation
entspricht, wenn der Motor ausgeschaltet ist.
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Während des Aufladens erfaßt der Regulator daher eine
Batteriespannung, die niedriger ist als er tatsächliche
Spannungspegel und folglicherweise wird das Batterieaufladen
bei dem maximalen Aufladestrompegel ausgehend von dem
Generator während einer längeren Zeitdauer fortgeführt, als
dies sonst geschehen würde, das es heißt, wenn der
Spannungsabfall nicht angelegt ist. Der obere Grenzwert der
Batteriespannung wird derart ausgewählt, daß er auf einem
höheren Pegel als der nominale Aufladespannungspegel liegt,
jedoch ist er noch so begrenzt, daß er eine Beschädigung oder
das Auftreten eines gefährlichen Koches der Batterie
verhindert.
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Der Schaltkreis weist ferner eine lichtemittierende Diode 17
mit einem zugehörigen strombegrenzenden Widerstand 18 auf,
welcher über die Spule des Relais 13 gekoppelt liegt. Die
lichtemittierende Diode 17 zeigt an, daß der Transistor
angeschaltet ist, das heißt daß die Diode 15 an den
Schaltkreis angeschlossen ist.
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Fig. 2 zeigt ein Diagramm des Ablaufs beim Aufladen einer
Batterie gemäß dem Stande der Technik, das heißt einen
Ablauf, bei dem keine Vorrichtung entsprechende Erfindung
verwendet wird. Die Y-Achse in dem Diagramm gibt die
Batteriespannung U und den Batteriestrom I an, das heißt den
Strom, welcher durch den Generator an die Batterie abgegeben
wird. Die X-Achse bezeichnet die Zeit t. De Batteriespannung
U wird in dem Diagramm durch eine durchgezogene Linie
wiedergegeben, wohingegen der Batteriestrom I durch eine
Linie bestehend aus Gedankenstrich und Punkten angezeigt
wird. Der Pegel der nominalen Spannung Unom wird durch eine
unterbrochene Linie wiedergegeben.
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Wenn das Aufladen der Batterie zum Zeitpunkt t1 beginnt,
nimmt der Batteriestrom I einen hohen Pegel ein, was zur
Folge hat, daß eine beträchtliche Ladung der Batterie
zugeführt wird. Die Batteriespannung U, die sich ursprünglich
bei einem relativ niedrigen Pegel befindet, steigt an, bis
sie zu einem bestimmten Zeitpunkt t2 dem Wert der nominalen
Spannung Unom erreicht, woraufhin der Regulator dem Generator
signalisiert, eine niedrigere Batteriespannung zuzuführen,
wobei dies zur Folge hat, daß der Strom I reduziert wird. Die
Batteriespannung wird danach bei einem Pegel beibehalten,
welcher im wesentlichen demjenigen der nominalen Spannung
entspricht. Bei einer herkömmlichen Batterie mit 12 Volt wird
die nominale Spannung vorzugsweise derart ausgewählt, daß sie
ungefähr 14 bis 14,2 Volt bei einer Temperatur von 20 bis
25ºC beträgt.
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Fig. 3 stellt einen Ablauf beim Aufladen einer Batterie dar,
wenn die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet wird. Die Batteriespannung U zeigt die Spannung,
welche zwischen den Schaltern B+ und GND (sh. Fig. 1)
existiert, ist im Anfangsstadium relativ niedrig und aus
diesem Grunde wird ein Spannungsabfall entsprechend der
obigen Beschreibung angelegt. Bei einer herkömmlichen
Batterie von 12 Volt mit einer Nominalspannung von 14 Volt
und mit dem Einführen bzw. Anlegen des Spannungsabfalls über
die Diode 15 beispielsweise 0,6 Volt, veranlaßt der Regulator
daher den Generator dazu, der Batterie einen Batteriestrom
mit maximalem Pegel zuzuführen, bis die "wahre"
Batteriespannung U auf 14,6 Volt angestiegen ist. Dies wird
in dem Diagramm durch den Zeitpunkt t3 wiedergegeben. Die
"wahre" Batteriespannung U von 14,6 Volt entspricht dann
einem Spannungspegel von 14 Volt, welcher durch den Regulator
empfangen wird.
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Praktische Tests haben ergeben, daß bei dem herkömmlichen
Aufladen (entsprechend Fig. 2) der Zeitpunkt t2 ungefähr 24
Minuten nach dem Zeitpunkt t1 auftritt. Beim Aufladen
entsprechend der Erfindung (entsprechend Fig. 3) tritt der
Zeitpunkt t3 ungefähr 34 Minuten nach dem Zeitpunkt t1 auf.
Dies entspricht einem Anstieg der Ladung, das heißt der
Anzahl von Amperestunden, welche durch die Batterie geliefert
werden, von ungefähr 9%, wenn die Vorrichtung gemäß der
Erfindung verwendet wird, im Vergleich zu der Situation, wenn
die herkömmliche Technik verwendet wird.