Grundsätze und Wartung von Ladegeräten für Elektrofahrzeuge

Herkömmliche Ladegeräte für Elektrofahrzeuge können basierend auf der Schaltungsstruktur grob in zwei Typen eingeteilt werden. Der erste Typ verwendet ein Einzeltransistor-Schaltnetzteil, das vom UC3842 angesteuert wird, um einen Feldeffekttransistor zu steuern, und verwendet einen Doppeloperationsverstärker LM358, um eine dreistufige Lademethode zu implementieren. 220-V-Wechselstrom wird über den bidirektionalen T0-Filter gefiltert und Störungen unterdrückt, von D1 in pulsierenden Gleichstrom gleichgerichtet und dann über C11 gefiltert, um einen stabilen Gleichstromausgang von etwa 300 V zu erzeugen. U1 ist ein integrierter TL3842-Pulsweitenmodulationsschaltkreis. Pin 5 dient als Minuspol der Stromversorgung, Pin 7 als Pluspol und Pin 6 gibt Impulse aus, die den Feldeffekttransistor Q1 (K1358) direkt ansteuern. Pin 3 steuert die maximale Strombegrenzung; Durch Anpassen des Widerstands von R25 (2,5 Ohm) wird der maximale Strom des Ladegeräts geändert. Pin 2 bietet eine Spannungsrückmeldung und ermöglicht so die Anpassung der Ausgangsspannung des Ladegeräts. Pin 4 ist mit dem externen Oszillationswiderstand R1 und dem Oszillationskondensator C1 verbunden. T1 ist der Hochfrequenz-Impulstransformator, der drei Funktionen erfüllt: Erstens wandelt er die Hochspannungsimpulse in Niederspannungsimpulse um; Zweitens isoliert es die Hochspannung, um einen Stromschlag zu verhindern. Drittens versorgt es den UC3842 mit Betriebsstrom. D4 ist die Hochfrequenz-Gleichrichterdiode (16 A, 60 V), C10 ist der Niederspannungsfilterkondensator, D5 ist die 12-V-Zenerdiode und U3 (TL431) ist die Präzisionsreferenzspannungsquelle. Zusammen mit U2 (Optokoppler 4N35) ermöglicht es die automatische Regelung der Ausgangsspannung des Ladegeräts. Die Anpassung von W2 (Trimmwiderstand) ermöglicht eine Feinabstimmung der Ladegerätspannung. D10 ist die Betriebsanzeige-LED. D6 ist die Ladeanzeige-LED. R27 ist der Strommesswiderstand (0,1 Ω, 5 W). Durch Ändern des Widerstandswerts von W1 wird der Übergangsschwellenstrom der Erhaltungsladung des Ladegeräts (200–300 mA) angepasst.

Beim Einschalten liegen an C11 etwa 300 V an. Ein Zweig dieser Spannung wird über T1 an Q1 angelegt. Der zweite Zweig erreicht Pin 7 von U1 über R5, C8 und C3 und zwingt U1 zur Aktivierung. Pin 6 von U1 gibt Rechteckimpulse aus und aktiviert Q1. Strom fließt durch R25 zur Erde. Gleichzeitig erzeugt die Sekundärwicklung von T1 eine induzierte Spannung, die über D3 und R12 für eine zuverlässige Stromversorgung von U1 sorgt. Die Spannung von der Primärwicklung von T1 wird gleichgerichtet und durch D4 und C10 gefiltert, um eine stabile Spannung zu erzeugen. Ein Zweig dieser Spannung lädt über D7 (der einen umgekehrten Stromfluss von der Batterie zurück zum Ladegerät verhindert) die Batterie auf. Der zweite Zweig versorgt den LM358 (doppelter Operationsverstärker, Pin 1 ist Strommasse, Pin 8 ist Strom positiv) und seine Peripherieschaltkreise über R14, D5 und C9 mit 12 V. D9 liefert die Referenzspannung für den LM358, die durch R26 und R4 geteilt wird, um die Pins 2 und 5 des LM358 zu erreichen. Während des normalen Ladevorgangs liegt am oberen Anschluss von R27 eine Spannung von ca. 0,15–0,18 V an. Diese Spannung wird über R17 an Pin 3 des LM358 angelegt, wodurch eine Hochspannung von Pin 1 ausgegeben wird. Ein Zweig dieser Spannung fließt durch R18, wodurch Q2 leitend wird und D6 (rote LED) zum Leuchten bringt. während ein anderer Zweig in die Pins 6 und 7 des LM358 einspeist und eine niedrige Spannung ausgibt, die Q3 zum Ausschalten zwingt. D10 (grüne LED) erlischt und das Ladegerät geht in die Konstantstrom-Ladephase über. Wenn die Batteriespannung auf etwa 44,2 V ansteigt, geht das Ladegerät in die Ladephase mit konstanter Spannung über und behält eine Ausgangsspannung von etwa 44,2 V bei, während der Ladestrom allmählich abnimmt. Wenn der Ladestrom auf 200–300 mA sinkt, sinkt die Spannung an R27. Die Spannung an Pin 3 des LM358 fällt unter die an Pin 2, wodurch Pin 1 eine niedrige Spannung ausgibt. Q2 schaltet sich aus und D6 erlischt. Gleichzeitig gibt Pin 7 eine Hochspannung aus. Diese Spannung aktiviert Q3 über einen Pfad, wodurch D10 aufleuchtet. Ein weiterer Pfad führt über D8 und W1 zum Rückkopplungskreis, wodurch die Spannung abnimmt. Anschließend geht das Ladegerät in die Erhaltungsladephase über. Der Ladevorgang ist nach 1–2 Stunden abgeschlossen.

Häufige Fehler bei Ladegeräten lassen sich in drei Hauptkategorien einteilen: 1: Hochspannungsfehler 2: Niederspannungsfehler 3: Fehler, die sowohl hohe als auch niedrige Spannungen betreffen. Das Hauptsymptom eines Hochspannungsfehlers ist, dass die Kontrollleuchte nicht aufleuchtet. Zu den charakteristischen Indikatoren gehören: - Durchgebrannte Sicherung - Ausfall der Gleichrichterdiode D1 - Ausbeulung oder Platzen des Kondensators C11 - Ausfall des Transistors Q1 - Offener Stromkreis im Widerstand R25 Kurzschluss zwischen Pin 7 von U1 und Masse. Offener Stromkreis in R5, dadurch keine Startspannung für U1. Der Austausch dieser Komponenten sollte das Problem beheben. Wenn Pin 7 von U1 über 11 V und Pin 8 5 V anzeigt, ist U1 im Wesentlichen funktionsfähig. Bei der Prüfung sollte der Schwerpunkt auf der Prüfung auf kalte Lötstellen an den Pins von Q1 und T1 liegen. Sollte Q1 wiederholt ausfallen, ohne dass es zu einer Überhitzung kommt, deutet dies typischerweise auf einen Ausfall von D2 oder C4 hin. Wenn Q1 während einer Überhitzung ausfällt, deutet dies im Allgemeinen auf eine Leckage oder einen Kurzschluss im Niederspannungsbereich, einen übermäßigen Strom oder eine abnormale Impulswellenform an Pin 6 des UC3842 hin. Dies führt zu deutlich erhöhten Schaltverlusten und Wärmeentwicklung in Q1, was zu dessen Überhitzung und Durchbrennen führt. Zu den weiteren Anzeichen von Hochspannungsfehlern gehören das Flackern der Kontrollleuchte sowie eine niedrige und instabile Ausgangsspannung. Diese werden typischerweise durch eine schlechte Lötung an den Pins von T1, offene Schaltkreise in D3 oder R12 oder mangelnde Betriebsspannung für den TL3842 und seine Peripherieschaltkreise verursacht. Ein seltener Hochspannungsfehler äußert sich in einer zu hohen Ausgangsspannung von mehr als 120 V. Dies wird normalerweise durch einen Ausfall von U2, einen offenen Stromkreis in R13 oder einen Ausfall von U3 verursacht, wodurch die Spannung an Pin 2 von U1 sinkt und Pin 6 dazu führt, übermäßig breite Impulse auszugeben. Ein längerer Betrieb unter diesen Bedingungen muss vermieden werden, da dies zu schweren Schäden an den Niederspannungsschaltkreisen führt.

Die meisten Niederspannungsfehler sind auf eine verpolte Verbindung zwischen Ladegerät und Batterieklemmen zurückzuführen, die zum Durchbrennen von R27 und zum Ausfall des LM358 führt. Zu den Symptomen gehören eine kontinuierlich leuchtende rote Anzeige, eine nicht leuchtende grüne Anzeige, eine niedrige Ausgangsspannung oder eine Ausgangsspannung, die sich 0 V nähert. Durch den Austausch der oben genannten Komponenten wird das Problem behoben. Darüber hinaus kann es aufgrund der W2-Schwingung zu einer Abweichung der Ausgangsspannung kommen. Wenn die Ausgangsspannung zu hoch ist, kann es zu einer Überladung der Batterie kommen, was zu starker Dehydrierung, Überhitzung und schließlich zu einem thermischen Durchgehen und einer Explosion führen kann. Umgekehrt führt eine zu niedrige Ausgangsspannung zu einer Unterladung.

Wenn Fehler sowohl in Hoch- als auch Niederspannungskreisen auftreten, führen Sie vor dem Einschalten eine umfassende Inspektion aller Dioden, Transistoren, Optokoppler (4N35), Feldeffekttransistoren, Elektrolytkondensatoren, integrierten Schaltkreise und Widerstände R25, R5, R12, R27 durch – insbesondere D4 (16 A 60 V schnelle Erholungsdiode) und C10 (63 V 470 μF). Vermeiden Sie es, den Strom blind anzulegen, da dies das Fehlerausmaß weiter vergrößern kann. Einige Ladegeräte verfügen über einen Verpolungs- und Kurzschlussschutz an der Ausgangsstufe. Dadurch wird dem Ausgangskreis im Wesentlichen ein Relais hinzugefügt. Bei umgekehrter Polarität oder Kurzschluss funktioniert das Relais nicht und verhindert so die Spannungsausgabe vom Ladegerät.

Auch andere Ladegeräte verfügen über einen Verpolungs- und Kurzschlussschutz, unterscheiden sich jedoch prinzipiell vom oben genannten Aufbau. Ihr Niederspannungskreis bezieht seine Startspannung aus der zu ladenden Batterie und verfügt über eine Diode (Verpolungsschutz). Sobald die Stromversorgung ordnungsgemäß aktiviert ist, liefert das Ladegerät den Niederspannungs-Betriebsstrom. Der Steuerchip in solchen Ladegeräten basiert typischerweise auf dem TL494 und treibt zwei 13007-Hochspannungstransistoren an. In Kombination mit dem LM324 (vier Operationsverstärker) wird so eine dreistufige Aufladung erreicht.

Der 220-V-Wechselstrom wird über D1-D4 gleichgerichtet und durch C5 gefiltert, um etwa 300 V Gleichstrom zu ergeben. Diese Spannung lädt C4 und bildet den Startstrom durch die Hochspannungswicklung von TF1, die Primärwicklung von TF2 und V2. Die Rückkopplungswicklung von TF2 erzeugt eine induzierte Spannung, die dazu führt, dass V1 und V2 abwechselnd leiten. Dadurch wird in der Niederspannungsversorgungswicklung von TF1 eine Spannung erzeugt. Diese Spannung wird über D9 und D10 gleichgerichtet, durch C8 gefiltert und versorgt Komponenten wie TL494, LM324, V3 und V4 mit Strom. In diesem Stadium bleibt die Ausgangsspannung relativ niedrig. Bei der Aktivierung gibt der TL494 abwechselnd Impulse von den Pins 8 und 11 aus und steuert V3 und V4. Diese Impulse erregen über die TF2-Rückkopplungswicklung V1 und V2. Dadurch werden V1 und V2 vom selbstoszillierenden in den kontrollierten Betrieb überführt. Die Ausgangswicklungsspannung von TF2 steigt. Diese Spannung wird über die Spannungsteilung zwischen R29, R26 und R27 an Pin 1 des TL494 zurückgeführt (Spannungsrückführung), wodurch die Ausgangsspannung bei 41,2 V stabilisiert wird. R30 dient als Strommesswiderstand und erzeugt beim Laden einen Spannungsabfall. Diese Spannung wird über R11 und R12 an Pin 15 des TL494 zurückgeführt (Stromrückführung), wodurch der Ladestrom bei etwa 1,8 A gehalten wird. Zusätzlich erzeugt der Ladestrom einen Spannungsabfall an D20, der über R42 an Pin 3 des LM324 weitergeleitet wird. Dies führt dazu, dass Pin 2 eine hohe Spannung ausgibt und die Ladeanzeige aufleuchtet, während Pin 7 eine niedrige Spannung ausgibt und die Erhaltungsladeanzeige erlischt. Das Ladegerät geht in die Konstantstrom-Ladephase über. Darüber hinaus senkt die niedrige Spannung an Pin 7 die Anodenspannung von D19. Dadurch wird die Spannung an Pin 1 des TL494 reduziert, wodurch die maximale Ausgangsspannung des Ladegeräts 44,8 V erreicht. Wenn die Batteriespannung auf 44,8 V ansteigt, beginnt die Konstantspannungsphase.

Wenn der Ladestrom auf 0,3 A–0,4 A sinkt, sinkt die Spannung an Pin 3 des LM324. Pin 1 gibt eine niedrige Spannung aus, wodurch die Ladeanzeige erlischt. Gleichzeitig gibt Pin 7 eine Hochspannung aus, wodurch die Erhaltungsladeanzeige leuchtet. Darüber hinaus erhöht die Hochspannung an Pin 7 die Anodenspannung von D19. Dadurch erhöht sich die Spannung an Pin 1 des TL494, wodurch die Ausgangsspannung des Ladegeräts auf 41,2 V sinkt. Das Ladegerät wechselt in den Erhaltungslademodus.

Beispiel:

Ladegerät. Beim Anschließen der Stromversorgung zeigt das Ladegerät keinerlei Reaktion. Der Speicherkondensator behält jedoch seine Ladung. Wenn es hier nicht sofort entladen wird, kann es zu einem überraschenden Ruck kommen, der erhebliche Beschwerden verursacht.

Stellen Sie zunächst sicher, dass der 13007 funktionsfähig ist. Messen Sie die Mittelpunktspannung zwischen den beiden Transistoren. Wenn 150 V angezeigt werden, liegt das Problem zwischen dem 68 μF/400 V-Kondensator und dem Haupttransformatorstromkreis. Wenn nicht 150 V, ist einer der beiden 240 K-Anlaufwiderstände defekt. Das letztere Szenario kommt häufiger vor. Bei 3842-Schaltungen wird der Anlaufwiderstand typischerweise zu einer unendlichen Impedanz; Die beiden 2,2-Ohm-Widerstände sollten ebenfalls überprüft werden.