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Dokumentenidentifikation DE3827045A1 22.02.1990
Titel Verpolungsschutzeinrichtung für Akkuladegeräte
Anmelder ULO-Werk Moritz Ullmann GmbH & Co KG, 7340 Geislingen, DE
Erfinder Kraus, Manfred, Dipl.-Ing. (FH), 7980 Ravensburg, DE
Vertreter Wilhelm, H., Dr.-Ing.; Dauster, H., Dipl.-Ing., Pat.-Anwälte, 7000 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 10.08.1988
DE-Aktenzeichen 3827045
Offenlegungstag 22.02.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.02.1990
IPC-Hauptklasse H02H 7/18
IPC-Nebenklasse H02J 7/00   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Verpolungsschutzeinrichtung für Akkuladegeräte, bei denen die Akkus oder Akkupacks, die ggf. mit Temperaturfühlern ausgestattet sind, in beliebiger Polung anschließbar sind. Hierzu ist eine Steuereinrichtung (LOG) vorgesehen, welche die Akkuanschlüsse (BU1 bis BU3) über steuerbare Schalter (K6 bis K8) zunächst nur an eine Meßeinrichtung (ME) zur Feststellung der Polarität des Akkus und dann in Abhängigkeit vom Meßergebnis über steuerbare Schalter (K1, K3, K5 oder K2, K3, K5) mit der entsprechenden Polarität an eine Ladeschaltung (LS) und ggf. an eine Temperaturmeßeinrichtung (TM) anschließt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Verpolungsschutzeinrichtung für Akkuladegeräte, bei welcher die Akkus oder Akkupacks, die ggf. mit Temperaturfühlern ausgestattet sind, in beliebiger Polung anschließbar sind.

Ladegeräte zum Aufladen von Akkumulatoren können nur dann sinnvoll eingesetzt werden, wenn die zu ladenden Akkus in richtiger Polung in die für den jeweiligen Akkutyp bestimmte Aufnahme eingesteckt werden. Die meisten Akkuladegeräte sind zwar mit einem Verpolungsschutz ausgestattet, der verhindert, daß das Ladegerät oder der Akku beschädigt wird, jedoch bemerkt der Betreiber eines falsch eingesteckten Akkus erst nach längerer Zeit den Fehler, indem der Akku ungeladen bleibt.

Bei manchen Ladegeräten sind durch entsprechende mechanische Ausgestaltungen, zum Beispiel Nasen oder unsymmetrische Anordnung der Anschlüsse, Vorkehrungen gegen ein Falscheinstecken bei normalem Gebrauch getroffen worden. Diese Vorkehrungen versagen aber meist bei kräftigem Zupacken und Einstecken des Akkupacks in den dafür vorgesehenen Ladeschacht, so daß trotz dieser Vorkehrungen Beschädigungen an Ladegerät und Akku nicht sicher vermieden werden können.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit zu schaffen und eine Lösung anzugeben, die bei beliebig gepoltem Anschließen des Akkus an das Ladegerät ein ordnungsgemäßes und vorschriftsmäßiges Laden des Akkus gestattet.

Gelöst wird diese Aufgabe der Erfindung durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Durch die vorgeschlagene Lösung wird somit der Vorteil erzielt, daß Akkumulatoren in beliebiger Polung mit ihrem Ladegerät verbunden werden können, ohne daß dieses zu Beschädigungen an beiden Geräten führt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines durch Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Akkuladegerätes mit einer Verpolungsschutzeinrichtung,

Fig. 2 ein prinzipielles Stromlaufdiagramm einer Spannungsmeßeinrichtung,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer Steuereinrichtung,

Fig. 4 und 5 Impulsdiagramme zur Veranschaulichung des Betriebsablaufs in dem Akkuladegerät, der Spannungsmeßeinrichtung und der Steuereinrichtung,

Fig. 6 ein alternatives Prinzipschaltbild einer Steuereinrichtung und

Fig. 7 und 8 Impulsdiagramme zur Veranschaulichung des Betriebsablaufs im Akkuladegerät und der alternativen Steuereinrichtung.

In Fig. 1 ist das Prinzip eines Akkuladegerätes mit eingebauter Verpolungsschutzeinrichtung dargestellt. Es besteht aus einer an sich bekannten Ladeschaltung (LS) und ggf. einer Temperaturmeßeinrichtung (TM), die immer dann vorgesehen ist, wenn es sich bei dem Ladegerät um ein für Akkuschnelladung geeignetes Gerät handelt.

Der zu ladende Akkumulator (A1, A2) wird über eine Buchsenanordnung (BU1 bis BU3), die sich beispielsweise in einem Steckschacht des Ladegerätes befinden kann, mit diesem verbunden.

Fig. 1 zeigt die beiden alternativen Anschlußmöglichkeiten eines Akkumulators; die erste über der gestrichelten Linie (G), die zweite unterhalb derselben. Die drei Anschlußbuchsen (BU1 bis BU3) werden über eine aus den Schaltern (K1 bis K8) bestehende Schalteranordnung, gesteuert von einer Steuereinrichtung (LOG), mit einer Meßeinrichtung (ME), der Ladeschaltung (LS) und einer Temperaturmeßeinrichtung (TM) in einer Weise verbunden, die sowohl eine Beschädigung des Ladegerätes, als auch des Akkumulators vermeiden soll und die im folgenden beschrieben wird.

Nachdem der Akkumulator mit seinen Kontakten durch Einstecken in den dafür vorgesehenen Schacht mit dem Ladegerät verbunden ist, wird dieses eingeschaltet oder gestartet. Zu Beginn, zu einem Zeitpunkt also, wo man noch nicht weiß, in welcher Polung der Akkumulator mit dem Ladegerät verbunden ist, befinden sich die Steuersignale (K1 bis K8), welche die Steuereinrichtung (LOG) erzeugt, auf ihrem Ruhepegel, so daß alle Schalter (K1 bis K8) geöffnet sind. Der Flip-Flop (FF) der in Fig. 3 dargestellten Steuerschaltung wurde mit dem Einschalten oder Starten über ein Startsignal (ST) an seinem Setzeingang (S) gesetzt, so daß er das Ausgangssignal (T1) als ein Signal erzeugt, das sich im Arbeitspegel befindet, wohingegen das Signal (T2) den hierzu inversen Pegel aufweist. Unter der Annahme einer positiven Logik befindet sich also das Signal (T1) auf binär (1) = positiver Pegel und das Signal (T2) auf binär (0) = Bezugspegel.

Das Ausgangssignal (T1) des Flip-Flop (FF) entspricht auch den Steuersignalen (k6 und k7), welche die Schalter (K6 und K7) betätigen und damit die Buchse (BU1) an den Eingang (b) der Meßeinrichtung (ME) und die Buchse (BU2) an deren Eingang (a) anlegen.

Es gibt nun die beiden Möglichkeiten, daß entweder der Pluspol des Akkumulators oder der freie Anschluß des Temperaturfühlers (Th2) anliegen. An Buchse (BU2) liegt dann entweder der Minuspol (-) dieses Akkumulators oder der Anschluß des Temperaturfühlers, der mit dem Minuspol des Akkumulators verbunden ist.

Im ersteren Fall stellt die Meßeinrichtung (ME) das Anliegen einer Spannung an den beiden Buchsen fest, indem das Prüfrelais (P1) über die in diesem Falle richtig gepolte Diode (D1) anspricht. Der Kontakt (p1) schaltet nun die Meßleitung (ML1) vom Bezugspotential Erde (Masse) auf einen entsprechenden positiven Pegel. Dieses hat zur Folge, daß in der Steuereinrichtung in Fig. 3 die nun an der UND-Schaltung (U1) anliegenden Signale (T1 und ML1) diese durchschalten, so daß sie an ihrem Ausgang die Steuersignale (k1, k3 und k5) abgeben kann, welche die Schalter (K1, K3 und K5) betätigen.

Das invertierte Ausgangssignal der UND-Schaltung (U1), das im Inverter (I) invertiert wurde, und an einem Verzögerungsglied (D) und einer weiteren UND-Schaltung (U3) anliegt, hat keine Wirkung auf den Flip-Flop (FF) und die UND-Schaltung (U3). Somit bleiben die Steuersignale (k2, k3 und k4) auf dem Bezugspegel, indem sie die ihnen zugeordneten Schalter (K2, K3 und K4) nicht schließen können.

Die nun geschlossenen Schalter (K1, K3 und K5) legen die Ladeschaltung (LS) und die Temperaturmeßeinrichtung an die jeweils richtigen Buchsen, so daß der Akkumulator ordnungsgemäß geladen werden kann.

Ist der Akkumulator in der unterhalb der gestrichelten Linie (G) dargestellten Weise angeschlossen, dann stellt die Meßeinrichtung (ME) an ihren Eingangsklemmen keine Spannung fest, so daß sie zunächst kein Ausgangssignal (ML1 bzw. ML2) erzeugt, was bedeutet, daß über die Meßleitung (ML) von der Meßeinrichtung zur Steuereinrichtung (LOG) nur der Bezugspegel übertragen wird.

In der Steuereinrichtung hat das die Folge, daß das invertierte Ausgangssignal der UND-Schaltung (U1), das nunmehr einen positiven Pegel aufweist, an die UND-Schaltung (U3) angelegt wird. Nach einer Verzögerungszeit (tD), die in dem Verzögerungsglied (D) erzeugt wird, gelangt dieses Signal zum Rücksetzeingang des Flip-Flops (FF), so daß dieser umkippt und nunmehr ein Ausgangssignal (T2) mit positivem und ein Ausgangssignal (T1) mit dem Bezugspegel erzeugt. Wenn das Ausgangssignal (T2) nun an der UND-Schaltung (U3) anliegt, erzeugt diese ein Ausgangssignal mit positivem Pegel, das als Steuersignale (k7 und k8) an die Schalter (K7 und K8) sowie an eine UND-Schaltung (U2) angelegt wird.

Mit dem Schließen der Schalter (K7 und K8) wird nun der Akkumulator, von dem angenommen wurde, daß er die unter der gestrichelten Linie (G) dargestellte Anschlußlage aufweist, so angeschlossen, daß dann der Pluspol des Akkumulators an dem Eingang (b) und der Minuspol am Eingang (a) der Meßeinrichtung (ME) liegt. Dadurch kann das Prüfrelais (P1) ansprechen und auf die bereits erwähnte Weise das Signal (ML1) erzeugen, das über die Meßleitung (ML) zur Steuereinrichtung übertragen wird. Das Signal (ML1) gelangt in der Steuereinrichtung auch zur UND-Schaltung (U2), so daß deren logische Bedingung erfüllt ist und diese die Steuersignale (k2, k3 und k4) erzeugt, die nun die Schalter (K2, K3 und K4) schließen, so daß der Akkumulator mit der richtigen Polarität mit der Ladeschaltung und der Temperaturfühler auf die richtige Weise mit der Temperaturmeßeinrichtung (TM) verbunden sind.

Die Impulsdiagramme in den Fig. 4 und 5 zeigen im einzelnen den zeitlichen Verlauf der Steuersignale in der Steuerschaltung für die beiden unterschiedlichen Fälle möglicher Akkupolungen beim Anschluß desselben an das Ladegerät.

Eine etwas einfachere Steuereinrichtung zeigt Fig. 6, die dann verwendet werden kann, wenn die Meßeinrichtung (ME) nicht nur die Polarität des angeschlossenen Akkus anhand einer Spannungsmessung, sondern auch an einer Widerstandsmessung feststellen kann. Dazu erhält die Meßeinrichtung einen prinzipiellen Aufbau, wie er in Fig. 2a dargestellt ist. Die Anschlußleitungen (a und b) werden parallel an die Eingänge einer Spannungsmeßeinrichtung (UM) und einer Widerstandsmeßeinrichtung (WM) geführt. Sind die Eingangsleitungen (a und b) mit Buchsen verbunden, an welchen die Akkuzellen liegen, dann spricht die Spannungsmeßeinrichtung (UM) an und erzeugt das Ausgangssignal (ML1). Sind dagegen die Anschlußleitungen (a und b) der Meßeinrichtung (ME) mit Buchsen verbunden, an denen der Temperaturfühler liegt, dann spricht die Widerstandsmeßeinrichtung (WM) an, die dann das Ausgangssignal (ML2) erzeugt.

Bei einer Meßeinrichtung nach Fig. 2a kann auch in der Steuereinrichtung der Schalter (K8) entfallen, so daß sie, da sie nun das Steuersignal (K8) nicht mehr zu erzeugen braucht, einfacher gestaltet werden kann. Diese Vereinfachung basiert auf der Überlegung, daß es genügt, die Verhältnisse an den Buchsen (BU1 und BU2) oder (BU2 und BU3) zu überprüfen, in welch letzterem Fall der Schalter (K6) anstelle des Schalters (K8) und das Steuersignal (k6) anstelle des Steuersignales (k8) entfallen kann. An dem jeweiligen Buchsenpaar (BU1/BU2 oder BU2/BU3) liegt dann, je nach Polung des eingesteckten Akkus, mindestens eine Akkuzelle oder ein Temperaturfühler.

In Fig. 6 ist eine Steuereinrichtung dargestellt, bei der nur das Buchsenpaar (BU1/BU2) für die Prüfung der Polarität verwendet wird. Somit fehlt der Schalter (K8), und das für seine Steuerung benötigte Steuersignal (k8) kann entfallen.

Gestartet wird die Einrichtung nach Fig. 6 durch ein Signal (T1), das gleichzeitig auch die Steuersignale (k6 und k7) repräsentiert. Daher werden die Schalter (K6 und K7) geschlossen und das genannte Buchsenpaar an die Eingangsleitungen (a und b) der Meßeinrichtung (ME) angelegt. Liegt nun die Akkuzelle oder liegen die Akkuzellen bei einem Akkupack an den Buchsen an, dann spricht die Spannungsmeßeinrichtung (UM) mit der Erzeugung des Steuersignales (ML1) an. Damit ist die Bedingung für die UND-Schaltung (U1) erfüllt, wodurch die Steuersignale (k1, k3 und k5) erzeugt werden, welche die Schalter (K1, K3 und K5) schließen. Damit wird die Ladeschaltung (LS) und ggf. der Temperaturfühler (TM) in der richtigen Polarität an den Akku angeschlossen.

Ist die Polarität des eingesteckten Akkus allerdings so, daß an dem Buchsenpaar (BU1/BU2) die Anschlüsse des Temperaturfühlers anliegen, dann erzeugt in der Meßeinrichtung (ME) die Widerstandsmeßeinrichtung (WM) das Steuersignal (ML2), das dann seinerseits die UND-Schaltung (U4) durchschaltet, die ihrerseits die Steuersignale (k2, k3 und k4) erzeugt. Damit werden die Schalter (K2, K3 und K4) geschlossen, wodurch bewirkt wird, daß der Akku mit der richtigen Polarität an die Ladeschaltung und die Temperaturmeßeinrichtung angeschlossen wird. Die Diagramme in den Fig. 7 und 8 zeigen den zeitlichen Verlauf der Steuersignale in der Steuereinrichtung nach Fig. 6 für die beiden Möglichkeiten, mit denen der Akku in den Akkuschacht des Ladegerätes eingesteckt wurde.

Eine Reihe von Akkuladegeräten enthalten bereits Mikroprozessoren, die mit Analog-/Digital-Wandlern und Digital-/Analog-Wandlern verbunden sind und für die notwendigen Meß- und Steuervorgänge verwendet werden. Die vorliegende Verpolungsschutzeinrichtung kann ohne weiteres in solche intelligente Systemeinheiten integriert werden.

Im Ladegerät müssen auch bestimmte Funktionen, die der Sicherheit dienen, berücksichtigt werden, beispielsweise das Öffnen aller Schalter bei Netzausfall. Dieses ist in den Steuereinrichtungen nach den Fig. 3 und 6 bereits der Fall, wenn die Signale (T1 und T2) auf den Bezugspegel abfallen, was immer dann der Fall ist, wenn der Flip-Flop (FF) abgeschaltet wird. Auch Mikroprozessoren können abnormale Betriebszustände feststellen und entsprechend darauf reagieren.


Anspruch[de]
  1. 1. Verpolungsschutzeinrichtung für Akkuladegeräte, bei welcher die Akkus oder Akkupacks, die ggf. mit Temperaturfühlern ausgestattet sind, in beliebiger Polung anschließbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung (LOG; Fig. 1) vorgesehen ist, welche die Akkuanschlüsse (BU1 bis BU3) über erste steuerbare Schalter (K6 bis K8) zunächst nur an eine Meßeinrichtung (ME) zur Feststellung der Polarität des Akkus und dann, in Abhängigkeit vom Meßergebnis, über zweite (K1, K3, K5) oder dritte (K2, K3, K5) steuerbare Schalter mit der entsprechenden Polarität an eine Ladeschaltung (LS) und ggf. an eine Temperaturmeßeinrichtung (TM) anschließt.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß steuerbare Schalter (K1 bis K8; Fig. 1) vorgesehen sind, die von einer Steuereinrichtung (LOG), welche Steuersignale (k1 bis k8) zur Betätigung der steuerbaren Schalter erzeugt, derart steuerbar sind, daß zunächst alle Schalter geöffnet sind, daß dann mittels erster Steuersignale (K6, K7) die Schalter (K6, K7) einer ersten Schaltergruppe geschlossen werden, welche Anschlüsse (BU1, BU2) einer ersten Anschlußgruppe des angeschlossenen Akkus (A1, A2) mit einer Meßeinrichtung (ME) verbindet, die bei Feststellung der richtigen Polarität ein Signal (ML1) an die Steuereinrichtung überträgt, so daß diese mittels zweiter Steuersignale (k1, k3, k5) Schalter (K1, K3, K5) einer zweiten Schaltergruppe schließt, die den Akku an eine Ladeschaltung (LS) und einen ggf. vorhandenen Temperaturfühler (Th1) an eine Temperaturmeßeinrichtung (TM) anschließen, daß aber, wenn die Spannungsmeßeinrichtung (ME) keine Spannung feststellt, die Steuereinrichtung dritte Steuersignale (k7, k8) erzeugt, die Schalter (K7, K8) einer dritten Schaltergruppe schließen, welche Anschlüsse (BU2, BU3) einer zweiten Anschlußgruppe des angeschlossenen Akkus mit der Meßeinrichtung (ME) verbindet, die bei Feststellung der richtigen Polarität das Signal (ML1) an die Steuereinrichtung überträgt, so daß diese mittels vierter Steuersignale (k2, k3, k4) Schalter (K2, K3, K4) einer vierten Schaltergruppe schließt, die den Akku an die Ladeschaltung (LS) und einen ggf. vorhandenen Temperaturfühler (Th2) an eine Temperaturmeßeinrichtung (TM) mit der richtigen Polarität anschließen.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Schalter (K1 bis K8; Fig. 1) Relais sind, deren Wicklungen von den Steuersignalen (k1 bis k8) der Steuerschaltung (LOG) beaufschlagt werden.
  4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die steuerbaren Schalter (K1 bis K8) elektronische Schalter sind, deren Steuerelektroden von den Steuersignalen (k1 bis k8) beaufschlagt werden.
  5. 5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (ME; Fig. 1) eine Spannungsmeßeinrichtung ist, die über einen weiten Betriebsbereich, dessen unterste Grenze der Spannung einer tiefst entladenen Zelle und deren obere Grenze der Summe aller vollgeladenen Zellen des größten ladbaren Akkupacks entspricht, arbeitet und, wenn sie das Vorliegen einer Spannung feststellt, ein Steuersignal (ML1) erzeugt.
  6. 6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (ME)sowohl eine nach Anspruch 5 gekennzeichnete Spannungsmeßeinrichtung (UM) als auch eine Widerstandsmeßeinrichtung (WM) enthält, die über den weiten Bereich der Widerstandswerte zugelassener Temperaturfühler arbeitet und, wenn sie einen solchen Widerstand feststellt, ein Steuersignal (ML2) erzeugt, wobei immer nur eine der beiden Meßschaltungen ein Steuersignal erzeugen kann.
  7. 7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (LOG) von dem Steuersignal (ML1) der Meßeinrichtung (ME) in zwei Phasen (T1, T2) gesteuert wird, wobei in der ersten Phase (T1) ein erstes Buchsenpaar (BU1/BU2) darauf geprüft wird, ob an ihm Akkuzellen anliegen und nur, wenn dieses nicht der Fall ist, in der daran anschließenden zweiten Phase (T2) ein zweites Buchsenpaar (BU2/BU3) geprüft wird, ob Akkuzellen an ihm angeschlossen sind, wobei in der ersten Phase Steuersignale erzeugt werden, die sich von den Steuersignalen der zweiten Phase dadurch unterscheiden, daß sie die ihnen zugeordneten Schalter so schließen, daß die Polarität an der Ladeschaltung (LS) und der Temperaturmeßeinrichtung (TM) entgegengesetzt zueinander sind.
  8. 8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung (LOG) nur in einer Phase (T1), jedoch in Abhängigkeit von den Steuersignalen (ML1, ML2) der in Anspruch 6 gekennzeichneten Meßeinrichtung (ME) derart betrieben werden, daß nur ein Buchsenpaar (z. B. BU1/BU2) überprüft wird, wobei an ihm entweder Akkuzellen oder ein Temperaturfühler angeschlossen ist, wobei in Abhängigkeit davon Steuersignale erzeugt werden, die sich wiederum dadurch unterscheiden, daß sie Schalter schliessen, die den zu ladenden Akku an die Ladeschaltung (LS) und die Temperaturmeßeinrichtung (TM) mit zueinander entgegengesetzter Polarität anschließen.






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