SE519419C2 - Förfarande och anordning för laddning av ett batteri - Google Patents

Description

519 419 ende fordon används oftast framförallt för att ge extra energitill- skott vid startande av fordonet, men även för att mata exempel- vis datorer och belysning i fordonet. Den växelströmsförbrukare, vilken matas parallellt med batteriet, kan vara exempelvis fläktar, huvudkompressorer, belysning o s v i fordonet eller därmed för- bundna vagnar. Den elektriska energin erhålles vanligtvis genom att fordonet från en kontaktledning 1 (se Fig 1) avtappar elektrisk energi, exempelvis i form av en växelspänning, vilken i Sverige normalt är en enfas-växelspänning med en frekvens av 16 2/3 Hz, och denna via en icke visad likriktare omvandlas till en likspänning, av exempelvis ca 750 V, som sedan förs till en strömriktare i form av en växelriktare 2, där den omvandlas till en växelspänning. Nivån på denna växelspänning ändras sedan genom en transformator 3, från vilken växelspänningen matas vidare till förbrukare 4 av nämnt slag. Samtidigt tas en del av växelspänningen ut till en strömriktare i form av en likriktare 5, som likriktar spänningen och vid en högre spänning på sin ut- gäng 6 än spänningen hos ett batteri 7 sänder en laddningsström till 'detta för uppladdning därav. Nämnda strömriktare är företrä- desvis bildade av seriekopplade strömventiler med vardera åt- minstone en switch i form av ett halvledarelement och en antipa- rallellt därmed kopplad likriktardiod styrda på konventionellt sätt enligt ett pulsbreddsmoduleringsmönster som i utförandet visat i Fig 2 eller som ej styrda likriktare, t ex diodlikriktare, som i ut- förandet enligt Fig 1.

Från kontaktledningen 1 erhåller även parallellt med den visade anordningen motorn hos fordonet elektrisk energi, företrädesvis genom en icke visad omriktare.

Laddningsströmmen till batteriet kan mätas genom schematiskt antydda organ 8, medan batteriets spänning kan mätas genom organ 9. De på detta sätt uppnådda mätvärdena används för att reglera utspänningen hos likriktaren 5 och därmed laddnings- strömmen till batteriet 7. När utspänningen på utgången 6 överskrider spänningen över batteriet kommer batteriet att laddas genom spolen 10. Anordningen uppvisar även en inrättning 11 10 15 20 25 30 35 519 419 anordnad att styra spänningen på likriktarens utgång på grundval av informationer om en jämförelse av den uppmätta laddnings- strömmen med ett strömgränsvärde och minska den om den uppmätta strömmen överskrider strömgränsvärdet för reduce- rande av Iaddningsströmmen. Detta sker vid en anordning av det i Fig 1 visade slaget genom att växelriktaren 2 styrs så att lämp- lig spänningsnivå erhålles på dess utgång. Detta har dock då nackdelen att när spänningen till likritaren 5 måste minskas kommer då automatiskt nivån på spänningen till förbrukarna 4 att sänkas.

Fig 2 visar en variant av anordning enligt Fig 1, hos vilken nämnda inrättning 11 istället styr likriktaren, så att mätningen till batteriet och den till förbrukarna i princip blir oberoende av var- andra. l Fig 3 visas lite mera i detalj hur inrättningen 11 hos en anord- ning av detta slag kan fungera. Värdet på den uppmätta Iadd- ningsströmmen anländer vid 12 och dess negativa värde adderas i ett adderingsorgan 13 till ett vid 14 anländande strömgräns- värde. Om adderingen i 13, vilken i praktiken är en jämförelse av laddningsströmmen med ett strömgränsvärde, vilket laddnings- strömmen ej bör överstiga för att förhindra utlösande av över- strömsskydd och stoppande av funktionen hos hela anordningen enligt Fig 1 och 2 med avbrott på matningen av elektrisk energi till såväl nämnda förbrukare 4 som till batteriet som följd, ger ett negativt värde på ingången 15 till ett organ 16 ges på dettas ut- gång ett referensspänningsvärde för spänningen på likriktarens utgång 6 ut och görs då lägre än ett förutbestämt spänningsvärde inmatat till organet 16 vid 17. Skulle emellertid värdet på ladd- ningsströmmen vara lägre än nämnda strömgränsvärde, då skulle den vid 17 ingivna referensspänningen även matas ut vid 18. Vid 19 matas batterispänningen multiplicerad med -1 in till ett adde- ringsorgan 20, vilken matar in resultatet av adderingen till ett or- gan 21, som vid en lägre referensspänning än batterispänning sänder signaler till en styrenhet 22 som hos anordningen enligt Fig 1 styr växelriktaren 2 vad gäller spänningstoppvärde och i 10 15 20 25 30 35 519 419 anordningen enligt Fig 2 likriktaren 5 vad gäller spänningstopp- värde. Är batterispänningen högre än referensspänning vid 18 sänks nämnda spänningstoppvärde och därmed spänningen ut från likriktaren och därigenom slutligen laddningsströmmen till batteriet. l Fig 4 visas schematiskt vad som kan hända om nivån pá spän- ningen intill likriktaren plötsligt faller, exempelvis på grund av ett stort effektuttag från någon förbrukare vid en start därav. Det il- lustreras schematiskt hur utspänningen UB därvid varierar med tiden, varvid UB är batterispänningen. Vidare är laddningsström- men IB och med en streckning nämnda strömgränsvärde lB,lim inriktade över tiden. Det framgår att när utspänningen från lik- riktaren faller under batterispänningen går laddningsströmmen ner till O, men när sedan nämnda utspänning ånyo stiger över batterispänningen kommer p g a den låga inre resistansen i batteriet en mycket brant stigning av laddningsströmmen ofta medförande en hög överskjutning av laddningsströmmen att re- sultera. Detta betyder att laddningsströmmen passerar ström- gränsvärdet och inrättningen 11 utför en styrning på det i Fig 3 visade sättet för att få ned laddningsströmmen under detta värde.

Emellertid är strömöverskjutet stundom så kraftigt att över- strömsskydd hinner lösa ut för att förhindra skador på transfor- matorer och dioder, så att hela anordningen stängs av med bety- dande problem till följd. Det påpekas att spänningsfall med mot- svarande problem som följd även kan uppstå på batteriets last- sida, där även stora laster kan förekomma.

SAMMANFATlNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är att tillhandhålla en anord- ning samt ett förfarande av inledningsvis definierat slag, vilka rå- der bot på ovannämnda problem med risk för utlösning av över- strömsskydd vid plötsligt stigande utspänning från likriktaren.

Detta syfte uppnås enligt uppfinningen genom att förse en sådan anordning med en enhet anordnad att bilda nämnda strömgräns- värde genom att jämföra ett strömvärde bildat av värdet på 10 15 20 25 30 35 519 419 nämnda uppmätta laddningsström ålagt en begränsning av dess positiva stighastighet med ett förutbestämt maximalt strömgräns- värde, och att bestämma det lägsta av det så erhållna strömvär- det och nämnda maximala strömgränsvärde som nämnda ström- gränsvärde för nämnda medels jämförelse.

Genom att på detta sätt dynamiskt variera strömgränsvärdet re- dan när laddningsströmmen börjar stiga, även om strömstyrkan då ligger långt under det värde som egentligen kan tillåtas, kom- mer laddningsströmmen att passera nämnda strömgränsvärde om den stiger snabbare än nämnda positiva stighastighet och där- igenom inrättningen att styra spänningen på likriktarens utgång att minska för reducerande av laddningsströmmen, så att den strömstyrkan som krävs för att överströmsskyddet skall utlösas aldrig uppnås. Följaktligen grundar sig inte uppfinningen på att regleringen av laddningsströmmen görs snabbare, utan den be- gynnes istället tidigare, d v s långt under den maximalt tillåtna nivån på strömmen. Detta regleringssätt innebär ett mycket mjukt sätt att begränsa transienter på.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen innefattar nämnda enhet organ anordnade att till värdet på den uppmätta laddningsströmmen addera ett maximalt strömvärdestillskott- /tidsenhet och organ anordnade att jämföra ett så bildat ström- värde med existerande laddningsström och bestämma det lägsta av dem som ett teoretiskt laddningsströmvärde och sända detta till nämnda adderingsorgan för att där betraktas som ett nytt laddningsströmvärde, och jämförelseorganet är anordnat att sända nämnda teoretiska laddningsströmvärden till ett organ för jämförandet av det med nämnda maximala strömgränsvärde för att bestämma det lägsta av dessa som strömgränsvärde för nämnda medels jämförelse. Härigenom tillses att strömgränsvär- det för nämnda medels jämförelse, vilket ligger till grund för själva styrningen av utspänningen från likriktaren, å ena sidan aldrig blir högre än värdet på summan av laddningsströmmen och det maximala strömvärdestillskottet, vilket företrädesvis vid nor- mal laddningsström innebär att denna summa blir betydligt lägre 10 15 20 25 30 35 519 419 än det maximalt tillåtna strömgränsvärdet, och att å andra sidan strömgränsvärdet inte kan stiga alltför snabbt. Detta innebär i praktiken att strömgränsvärdet kommer att överstigas av ladd- ningsströmmen direkt när den börjar stiga snabbare än den posi- tiva stighastighet som nämnda begränsning medger, och detta oavsett vilken nivå laddningsströmmen just då har, sà att re- gleringen av utspänningen nedåt kan sättas igång redan vid mycket låga men hastigt stigande laddningsströmmar.

Enligt en annan föredragen utföringsform av uppfinningen år an- ordningen avsedd att ingå som en del i elsystemet hos ett spår- gående fordon, och växelströmskällan är anordnad att erhålla elektrisk energi från en kontaktledning för nämnda spårgående fordon. Därvid skulle denna kontaktledning kunna vara såväl en likströmsledning som en växelströmsledning. Anordningen är speciellt väl lämpad för denna applikation, då problemet som uppfinningen söker lösa ofta uppträder i elsystemet hos sådana spårgående fordon försedda med anordningar för laddning av batterier.

Uppfinningen avser även ett förfarande för laddning av ett batteri enligt bifogade förfarandepatentkrav. Fördelarna med ett sådant förfarande framgår med all önskvärd tydlighet av diskussionen ovan av anordningen enligt uppfinningen.

Ytterligare fördelar med samt fördelaktiga särdrag hos uppfin- ningen framgår av efterföljande beskrivning samt övriga osjälv- ständiga patentkrav.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA Här nedan följer en beskrivning av en anordning enligt en före- dragen utföringsform av uppfinningen under hänvisning till bifo- gade ritningar, på vilka: 10 15 20 25 30 35 Fig 1 Fig 2 Fig 3 Fig 4 Fig 5 Fig 6 Fig 7 519 419 är en schematisk vy illustrerande en anordning för ladd- ning av ett batteri enligt en första typ, på vilken uppfin- ningen kan vara applicerad, är en schematisk vy illustrerande en anordning för ladd- ning av ett batteri enligt en andra typ, på vilken upp-fin- ningen kan vara applicerad, illustrerar mera detaljerat en del av en anordning enligt tidigare känd teknik, är ett diagram över utspänningen US från likriktaren, bat- terispänningen UB samt laddningsströmmen IB över tiden tför den tidigare kända anordningen enligt Fig 3, är en vy av en del av en anordning enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen, är ett diagram som illustrerar hur ett av anordningen en- ligt Fig 5 framtaget strömgränsvärde lB,lim förändras över tiden t och i beroende av laddningsströmmen IB, och är ett Fig 4 motsvarande diagram för den uppfinningsen- liga anordningen enligt Fig 5.

DETALJERAD BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖR- INGSFORM AV UPPFINNINGEN Egentligen kan det betraktas som om två föredragna utförings- former av uppfinningen härefter beskrivs, då den del av den upp- finningsenliga anordningen som är visad i Fig 5 kan anses ingå i en anordning enligt såväl Fig 1 som Fig 2 som en del av den där visade inrättningen 11 för direkt eller indirekt styrning av spän- ningen på likriktarens utgång. 10 15 20 25 30 35 519 419 Denna inrättning innefattar här uppströms om medlet 13 i Fig 3 först av allt ett organ 23 anordnat att på sin ingång 24 mottaga ett från ett organ 8 (se Fig 1 och 2) levererat värde på laddnings- strömmen till batteriet 7. Detta organ 23 är anordnat att göra en jämförelse av detta värde och ett värde inkommet på en andra ingång 25 och sända det lägsta av dessa värden vidare på sin utgång 26 till en ingång 27 hos ett organ 28 som adderar detta värde med ett förutbestämt tillskott A inmatat på en annan ingång 29. Därvid kan endast ett visst tillskott per tidsenhet adderas till det vid 27 inkommande värdet. A är väsentligt mindre än, företrä- desvis mindre än 20 % av, den normala skillnaden mellan lg och det maximalt tillåtna strömgränsvärdet. Det så erhållna värdet sänds nämligen tillbaka till ingången 25 hos organet 23 för att jämföras med laddningsströmmen. Eftersom det lägsta av ladd- ningsströmsvärdet och värdet på ingången 25 hela tiden sänds vidare till organet 28 som därtill ger ett visst tillskott per tidsen- het kan värdet på organet 28 utgång 33 inte öka snabbare än med detta tillskott per tidsenhet. Förenklat skulle det kunna ut- tryckas som så att om vid 27 IB + A anländer och en viss tid inte förflutit sedan senaste adderingen av A gjordes, då sker ingen addering alls i 28. Detta värde sänds sedan vidare till ett organ 30, där det jämförs med ett maximalt strömgränsvärde erhållet på en ingång 31 och det lägsta av dessa båda värden sänds vidare till det i Fig 3 illustrerade medlet 13, vilket fungerar på samma sätt som beskrivet under hänvisning till Fig 3. På medlet 13 följer övriga i Fig 3 visade organ 16, 20, 21 och 22 med samma funktion som tidigare beskrivet.

I Fig 6 illustreras hur värdet lB,lim på utgången 33 från organet 28 kommer att variera över tiden vid förändringar av värdet på laddningsströmmen erhållet på ingången 24 hos organet 23. Så- ledes visas vad organen 23 och 28 med dessas inbördes kopp- ling resulterar i. Det framgår att så länge värdet på laddnings- strömmen inte stiger alltför brant, d v s snabbare än tillskottet A per tidsenhet, kommer lB,lim alltid att vara A större än IB. Likaså är fallhastigheten hos lB,lim inte begränsad. När däremot värdet på laddningsströmmen stiger snabbare än den stighastighet som 10 15 20 25 30 35 519 419 motsvarar det maximala tillskottet A per tidsenhet i organet 28 kommer värdet på laddningsströmmen att överstiga lB,lim och därigenom i 13 ett negativt värde uppnås och utspänningen från likriktaren att regleras nedåt. Naturligtvis görs detta dock alltid senast när laddningsströmmen överstiger det på ingången 31 le- vererade maximala strömgränsvärdet. l Fig 7 visas vad som i praktiken kommer att hända med ström- men lB när utspänningen Us från likriktaren varierar på det sätt som tidigare illustrerats i Fig 4 för den tidigare kända anord- ningen i fallet av en uppfinningsenlig anordning enligt Fig 5. Det framgår att den snabba stigningen av IB som normalt skulle följt från och med tidpunkten to uteblir, då laddningsströmmen direkt kommer att stiga snabbare än snabbaste möjliga stigning hos det dynamiska gränsvärdet levererat av organet 28 och därigenom en reglering av spänningen Us nedåt kommer att begynna. Därför når värdet på laddningsströmmen inte upptill det maximala strömgränsvärdet indikerat med den streckade linjen 32 och nâ- gotöverströmsskydd behöver aldrig utlösas. i Uppfinningen är givetvis inte på något sätt begränsad till den ovan beskriva fördragna utföringsformen, utan en mängd möjlig- heter till modifikationer därav torde vara uppenbara för en fack- man på området utan avvikande från uppfinningens ram, sådan denna definieras av bifogade patentkrav.

Andra varianter än den ovan visade på ett framtagande av ett dynamiskt strömgränsvärde med begränsad stighastighet är tänkbara, och samtliga dessa funktioner skulle naturligtvis kunna vara sammanfattade i en enda enhet, och detsamma gäller för hela ovannämnda inrättning inklusive funktionen av beräkning av dynamiskt strömgränsvärde, vilken skulle kunna vara bildad av en på lämpligt sätt programmerad datorenhet. Uppfinningen är inte begränsad till den beskrivna tidsdiskreta implementering utan även tidskontinuerlig implementering, exempelvis med ana- log teknik, vore tänkbar. 10 519 419 10 Det ligger även inom uppfinningens ram att utforma begräns- ningen av stighastighastigheten hos strömgränsvärdet på sådant sätt att denna är beroende av någon parameter, exempelvis laddningsströmmens storlek, därest detta skulle önskas vid nå- gon speciell applikation. Exempelvis skulle då en högre stighas- tighet hos Iaddningsströmmen kunna tillåtas inom något värde- område på denna än inom något annat utan att regleringen av utspänningen från likriktaren träder in.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 35 519 419 11 Patentkrav: 1. Förfarande för laddning av ett batteri (7) via en likriktare (5) med sin ingång ansluten till en växelströmskälla (1, 2) anord- nad att förse åtminstone en annan förbrukare (4) än batteriet med elektrisk energi och med sin utgång (6) ansluten till batteriet, varvid laddnlngsströmmen från likriktaren till batte- riet mätes, den uppmätta strömmen jämförs med ett ström- gränsvärde och om den uppmätta strömmen överskrider detta strömgränsvärde styrs utspänningen från likriktaren att minska för reducerande av laddnlngsströmmen till batteriet, kännetecknat därav, “att nämnda strömgränsvärde fortlö- pande bestäms genom jämförelse av ett förutbestämt maxi- malt strömgränsvärde med ett strömvärde bildat genom värdet på nämnda uppmätta laddningsström àlagt en begränsning av dess positiva stighastighet, och det lägsta av nämnda för- utbestämda maximala strömgränsvärde och nämnda bildade strömvärde väljs som strömgränsvärde för nämnda jämförelse 'med den uppmätta laddnlngsströmmen. Förfarande enligt krav 1, kännetecknat därav, att till värdet på den uppmätta laddnlngsströmmen adderasett maximalt strömvärdestillskott/tidsenhet, det så bildade strömvärdet jämförs med existerande laddningsström och det lägsta av dem bestäms som ett teoretiskt laddningsströmvärde som därefter utsätts för nämnda addering för att där betraktas som ett nytt laddningsströmvärde, och nämnda teoretiska ladd- ningsströmvärden jämförs med nämnda maximala gräns- strömvärde' och det lägsta av dessa bestäms som nämnda strömgränsvärde. Förfarande enligt krav 1 eller 2, kännetecknat därav, att elektrisk energi matas till växelströmskällan via en kontakt- ledning (1) för spàrgående fordon. 10 15 20 25 30 35 519 419 12 . Förfarande enligt något av något av föregående krav, känne- tecknat därav, att en likspänning omvandlas i en växelriktare (2) till en växelspänning för matning till ingången hos nämnda likriktare (5). . Förfarande enligt krav 4, kännetecknat därav, att utspän- ningen på likriktarens utgång (6) styrs genom styrning av nämnda växelriktare (2). . Förfarande enligt något av kraven 1-4, kännetecknat därav, att utspänningen på likriktarens utgång styrs genom styrande av likriktaren (5). h . Anordning för laddning av ett batteri (7) innefattande en växel- strömkälla (1, 2), en likriktare (5) med sin ingång ansluten till växelströmskällan och med sin utgång (6) ansluten till batteriet för laddning därav, varvid växelströmskällan är anordnad att mata åtminstone en annan förbrukare (4) än batteriet med elektrisk energi, organ (8) för mätning av laddningsströmmen från likriktaren till batteriet, medel (13) för jämförande av den uppmätta laddningsströmmen med ett strömgränsvärde och en inrättning (11) anordnad att styra spänningen på likriktarens utgång pà grundval av informationer om nämnda jämförelse och minska den om den uppmätta strömmen överskrider strömgränsvärdet för reducerande av laddningsströmmen, kännetecknad därav, att den innefattar en enhet (23, 28, 30) anordnad att bilda nämnda strömgränsvärde genom att jäm- föra ett strömvärde bildat av värdet på nämnda uppmätta laddningsström àlagt en begränsning av dess positiva stighas- tighet med ett förutbestämt maximalt strömgränsvärde, och att bestämma det lägsta av det så erhållna strömvärdet och nämnda maximala strömgränsvärde som nämnda strömgräns- värde för nämnda medels jämförelse. . Anordning enligt krav 7, kännetecknad därav, att nämnda en- het innefattar organ (28) anordnade att till värdet på den upp- mätta laddningsströmmen addera ett maximalt strömvärdestill- 10 15 20 25 30 35 519 419 13 skott/tidsenhet och organ (23) anordnade att jämföra ett sà bildat strömvärde med existerande laddningsström och be- stämma det lägsta av dem som ett teoretiskt laddningsströms- värde och sända detta till nämnda adderingsorgan (28) för att där betraktas som ett nytt Iaddningsströmvärde, och att jämfö- relseorganet är anordnat att sända nämnda teoretiska ladd- ningsströmvärden till ett organ (30) för jämförande av det med nämnda maximala strömgränsvärde för att bestämma det lägsta av dessa som strömgränsvärde för nämnda medels (13) jämförelse. 9. Anordning enligt krav Teller 8, kännetecknad därav, att den är avsedd att ingå som en del i elsystemet hos ett spàrgàende fordon, och att växelströmskällan är anordnad att erhålla elektrisk energi från en kontaktledning (1) för nämnda spàrgà- ende fordon. 10.Anordning enligt krav 9, kännetecknad därav, att nämnda batteri (7) är anordnat att användas för att leverera elektrisk energi till en motor hos fordonet vid start av fordonet. 11.Anordnlng enligt krav 9 eller 10, kännetecknad därav, att nämnda förbrukare (4) är en eller flera av i fordonet ingående fläktar, huvudkompressorer och belysning. 12.Anordning enligt något av kraven 9-11, kännetecknad därav, att nämnda förbrukare (4) är parallellkopplad med batteriet (7). 13.Anordning enligt något av kraven 7-12, kännetecknad därav, att den innefattar en växelriktare (2) anordnad att omvandla en likspänning till en växelspänning för matning till ingången hos nämnda likriktare (5). 14.Anordning enligt krav 13, kännetecknad därav, att en trans- formator (3) för förändring av nivån hos spänningen från väx- elriktaren (2) till nämnda förbrukare (4) och batteriet (7) är 519 419 14 anordnad mellan växelriktaren och batteriet respektive för- brukaren. 15.Anordning enligt krav 13 eller 14, kännetecknad därav, att 5 nämnda inrättning (11) är anordnad att styra växelriktaren (2) för styrning av utspänningen på likriktarens utgång (6). 16.Anordning enligt något av kraven 7-14, kännetecknad därav, att nämnda inrättning (11) är anordnad att styra likriktaren (5) 10 för styrning av utspänningen på likriktarens utgång (6).