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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen
und Steuern mehrerer in Serie geschalteter Kapazitäten.
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Ein
Verfahren zum Symmetrieren der Kondensatoren einer Kondensatorbatterie
und eine mögliche
Vorrichtung hierzu sind in der
EP 1 406 143 A2 offenbart. Die Kondensatorbatterie
besteht aus mehreren parallel geschalteten Reihen aus jeweils einzelnen
Kondensatoren, die sogenannte Ultra-Kondensatoren sein können. Damit
möglichst
viel Energie in einer solchen Kondensatorbatterie gespeichert werden
kann, ist es wichtig, alle Kondensatoren einer Batterie gleichmäßig zu belasten,
d.h. gleichmäßig und
vollständig
zu laden. Dieser Vorgang wird "Symmetrieren" genannt. Sollte
an einzelnen Kondensatoren, wenn auch nur kurzzeitig, eine über den
Nennwert hinausgehende Kondensatorspannung anliegen, so führt das
zu einer schnelleren Alterung dieses Kondensators. Er muss dann
im Extremfall vorzeitig entfernt werden, was aufwändig ist.
Unterschiedliche Spannungen an den einzelnen Kondensatoren, die
den Energiespeicher uneffizient machen, sind im Wesentlichen auf
Kondensatoreigenschaften zurückzuführen, z.B.
auf den Ersatz-Serienwiderstand und/oder auf die Kapazität des Kondensators.
Auch Parallelwiderstände
können
sich auswirken.
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Es
ist daher erforderlich, jeden einzelnen Kondensator einer Kondensatorbatterie
an einer oberen Spannungsgrenze zu laden und vor einer Überladung
zu schützen,
die zu einer Zerstörung
des Kondensators führen
könnte.
Bei zu hoher anliegender Spannung könnte es zum Abblasen des Elektrolyten
kommen, was eine Zerstörung
des Kondensators bedeutet. Es soll aber auch mit einer Diagnose frühzeitig
zu erkennen sein, ob ein Kondensator nicht voll funktionsfähig ist.
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In
der
EP 1 406 143 A2 werden
zur Überwachung
des Ladezustands der Kondensatoren drei Spannungspegel durch eine
Referenzspannungsquelle bereitgestellt. An jedem Kondensator wird
die Kondensatorspannung ermittelt und mit den Spannungspegeln verglichen.
Es wird eine korrekte Ladung eines Kondensators angezeigt, wenn
die Kondensatorspannung zwischen den beiden unteren Spannungspegeln
liegt. Eine Störung
des Kondensators wird angezeigt, wenn die Kondensatorspannung größer ist
als der höchste
Spannungspegel. Es wird nur dann symmetriert, wenn weder eine korrekte
Ladung noch eine Störung
angezeigt wird. Es kann auch über
ein Bussystem eine Auswerteeinheit über den Fehler informiert werden,
so dass eine sofortige Diagnose des ausgefallenen Kondensators ermöglicht ist.
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Ebenfalls
offenbart die
EP 1
406 143 A2 eine Vorrichtung in der parallel zu jeweils
zwei oder mehr Kondensatoren der Kondensatorbatterie eine Serienschaltung
aus einem ohmschen Widerstand und einem ersten Transistor angeordnet
ist. Parallel zum ersten Transistor ist mindestens ein weiterer
Transistor geschaltet. Die Transistoren sind mit einer Auswerteeinheit
verbunden, wobei Spannungsabgriffe der Kondensatoren mit der Auswerteeinrichtung
verbunden sind. Der für
das Symmetrieren notwendige ohmsche Widerstand der Serienschaltung
dient als Entladewiderstand und kann beispielsweise ein großer Drahtwiderstand
sein. Er kann auch ein Flachbodenwiderstand, ein HSA-Widerstand
oder auch ein Zementwiderstand sein. Die Transistoren sind in der Regel
sogenannte Feldeffekttransistoren. Gegebenenfalls können diese
Feldeffekttransistoren mit Kühlkörpern ausgestattet
sein.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders geeignetes Verfahren
und eine besonders geeignete Vorrichtung zum Überwachen oder Steuern einer
Serienschaltung von Kapazitäten,
insbesondere während
des Ladevorgangs oder des Entladevorgangs anzugeben.
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Bezüglich des
Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs
1. Bezüglich
der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs
5. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Demzufolge
ist ein Verfahren zum Überwachen
und Steuern mehrerer in Serie geschalteter Kapazitäten während des
Ladens, des Entladens oder einer im wesentlichen konstanten Ladung
vorgesehen. In diesem Verfahren wird während des Entladens der Kapazitäten eine
Spannung jeder Kapazität bestimmt.
Zur Bestimmung kann diese Spannung beispielsweise hochohmig abgegriffen
und analogdigital umgesetzt werden.
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Im
Falle des Absinkens einer Spannung einer der Kapazitäten unter
eine erste Schwellspannung wird diese Kapazität mittels eines Schalters zumindest
bis zum Ende des Entladens überbrückt. Die Schwellspannung
kann beispielsweise als digitaler Parameter eingestellt werden.
Die Ansteuerung des Schalters kann dabei bis zum Entladen insbesondere digital
gespeichert werden, so dass keine erneute Messung bis zum Entladezeitpunkt
erforderlich ist.
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Eine
besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass
für eine
Symmetrierung ein Unterschreiten einer Spannung einer der Kapazitäten unter
eine zweite Schwellspannung detektiert wird, so dass in diesem Falle
der Kapazität
mit der höchsten
Spannung ein Widerstand parallel geschaltet wird.
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Eine
weitere Weiterbildung der Erfindung ist für die Symmetrierungsschritte
vorgesehen, indem im Falle des Überschreitens
einer Spannung einer der Kapazitäten über eine
dritte Schwellspannung dieser Kapazität ein Widerstand parallel geschaltet wird.
Dies bewirkt, dass die Zeile im Ladevorgang langsamer geladen oder über den
Widerstand teilweise entladen wird. Der Widerstand kann dabei beispielsweise
durch einen ohmschen Widerstand oder durch einen entsprechend angesteuerten
Halbleiter realisiert sein. Für
unterschiedliche Ströme
können mehrere
unterschiedliche Widerstände
vorgesehen sein.
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Eine
vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die zweite
Schwellspannung und/oder die dritte Schwellspannung in Abhängigkeit von
den Spannungen aller Kapazitäten,
insbesondere deren Spannungssumme oder einer nominalen Spannung
bestimmt wird. Eine nominale Spannung kann dabei mit einer ausgewählten Zeilenspannung übereinstimmen,
wobei die Zeilenspannung anhand von vorbestimmten Kriterien ausgewählt wird.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung mit mehreren
in Serie geschalteten Kapazitäten
und einem Schaltkreis, der Mittel zur Bestimmung jeder Spannung
jeder Kapazität,
Mittel zum Symmetrieren der Spannungen der Kapazitäten untereinander
und Mittel zum Deaktivieren zumindest einer der Kapazitäten aufweist.
Zur Steuerung ist vorzugsweise als Steuereinheit eine Recheneinheit,
insbesondere ein Mikrocontroller, vorgesehen. Zur Bestimmung jeder
Spannung jeder Kapazität sind
vorzugsweise Messmittel vorgesehen, die einen hochohmigen Eingang
aufweisen und mit den Anschlüssen
der jeweiligen Kapazität
direkt oder über einen
Multiplexer verbunden sind. Für
eine sicherheitstechnische Redundanz können diese Messmittel zweifach
oder mehrfach vorgesehen sein.
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Als
Mittel zum Symmetrieren der Spannungen der Kapazitäten untereinander
sind alle Bauelemente, wie Widerstände, Induktivitäten oder
Kondensatoren, geeignet, die geschaltet vorzugsweise eine gezielte
Reduzierung der Ladung der zu symmetrierenden Zeile bewirken.
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Zur
Deaktivierung wird die jeweilige Kapazität kurzgeschlossen. Dies ist
insbesondere im Falle eines detektierten Defektes dieser Kapazität nötig. Zur
Deaktivierung ist vorzugsweise ein Schalter vorgesehen, der für einen
möglichen
auftretenden Entladestrom ausgelegt ist.
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Eine
bevorzugte Weiterbildung dieses Aspekts der Erfindung sieht daher
vor, dass das Mittel zum Deaktivieren einen Deaktivierungsschalter
aufweist, der zur Deaktivierung die jeweilige Kapazität überbrückt.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Deaktivierungsschalter
zumindest ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein Feldeffekttransistor,
dessen Quellanschluss (Source) und Senkeanschluss (Drain) mit je
einem Anschluss der Kapazität
direkt verbunden ist. Zur direkten Verbindung ist zwischen dem Feldeffekttransistor
und der Kapazität
dabei kein Bauelement zwischengeschaltet.
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Die
Erfindung weiterhin ausgestaltend weist das Mittel zum Deaktivieren
einen Pegelwandler auf. Ein derartiger Pegelwandler kann beispielsweise
einen magnetisch gekoppelten Übertrager
oder eine Ladungspumpe aufweisen.
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Bevorzugt
weist das Mittel zur Symmetrierung einen Widerstand und einen mit
dem Widerstand in Serie geschalteten Symmetrierungsschalter auf,
die zur aktiven Symmetrierung mit der jeweiligen Kapazität parallel
geschaltet sind. Vorteilhafterweise ist der Symmetrierungsschalter
zumindest ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein Feldeffekttransistor.
Dabei ist dessen Quellanschluss (Source) oder dessen Senkeanschluss
(Drain) mit dem Widerstand direkt und nicht über ein weiteres Bauelement verbunden.
Ebenfalls kann vorteilhafterweise das Mittel zum Symmetrieren einen
Pegelwandler aufweisen.
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In
zweckmäßiger Weiterbildung
weist der Schaltkreis einen integrierten Steuerschaltkreis, insbesondere
einen Mikrocontroller auf, wobei einer oder mehrere Ausgänge des
integrierten Steuerschaltkreises über einen Multiplexer auf jeden
Pegelwandler, der einer Kapazität
zugeordnet ist, multiplexbar sind. Dies ermöglicht eine serielle Steuerung zur
Deaktivierung und/oder Symmetrierung der einzelnen Kapazitäten. Für eine sicherheitsnotwendige Redundanz
können
der Multiplexer, die Pegelwandler sowie die Mittel zur Deaktivierung
und/oder Symmetrierung zweifach oder mehrfach für jede Kapazität ausgeführt sein.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das Mittel zur
Bestimmung der Spannung einen Differenzverstärker auf, dessen beide Eingänge mit
den Anschlüssen
der jeweiligen Kapazität
verbunden sind. Vorteilhafterweise sind ein oder mehrere Ausgänge jedes
Mittels dabei zur Bestimmung der Spannung auf einen oder mehrere
Eingänge
des integrierten Steuerschaltkreises über einen Multiplexer multiplexbar.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist jede Kapazität mehrere
parallel geschaltete Kondensatoren auf, die insbesondere eine Kondensatormatrix
bilden. Die Kondensatoren sind vorteilhafterweise Ultra-Kondensatoren,
die für
eine unterbrechungsfreie Stromversorgung verwendet werden.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
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1 ein
schematisches Blockschaltbild einer Vorrichtung mit einer Kondensatormatrix,
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2 ein
erstes Flussdiagramm eines Verfahrens zum Symmetrieren der Kondensatormatrix gemäß 1,
und
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3 ein
zweites Flussdiagramm eines Verfahrens zur Deaktivierung von Kapazitäten der
Kondensatormatrix gemäß 1.
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Das
in 1 schematisch dargestellte Blockschaltbild wird
in einem elektrisch angetriebenen Türsystem mit einer zentralen
Steuerung und einer integrierten Notstromversorgung in einem Verkehrsflugzeug
verwendet. Der Energiespeicher der Notstromversorgung ist dabei
die Kondensatormatrix 10. Das Türsystem besteht dabei aus einer
zentralen Steuerungseinheit und einer Anzahl von Türen, die elektrisch
geöffnet
und geschlossen werden und mit einem Zentralrechner verbunden sind.
Die Türen
verfügen über lokale
Steuerungs-, Sensor- und Aktuatoreinheiten sowie über Notstromversorgungen
zum elektrischen Öffnen
und Schließen
sowie zum Auslösen
der Notrutschen.
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Im
Normalbetrieb wird das System von außen mit elektrischer Energie
versorgt. Der Zentralrechner kommuniziert mit den lokalen Steuerungseinheiten
und über wacht
alle Türen.
Bei Ausfall der zentralen Stromversorgung und/oder dem Verlust der Kommunikationsverbindung
zwischen Zentralrechner und lokaler Steuerungseinheit können die
Türen aufgrund
der gewählten
Anordnung in Verbindung mit der lokalen Notstromversorgung dennoch
sicher elektrisch angetrieben, geöffnet und geschlossen werden.
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Die
Steuerungseinheit ist bevorzugt mit der Notstromversorgung in einem
Gehäuse
zusammengeführt.
Als Energiespeicher wird ein kapazitiver Speicher aus einer Kondensatormatrix 10 verwendet. Die
Steuerungseinheit selbst wird genutzt, um ihre eigene Notstromversorgung
zu überwachen
und zu regeln.
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In 1 besteht
die Kondensatormatrix 10 aus N Zeilen mit n parallel geschalteten
Kondensatoren C. Die Zeilen sind zueinander wiederum in Serie geschaltet.
Beispielsweise werden jeweils vier Kondensatoren C parallel geschaltet,
so dass mit vierzehn Zeilen sich eine 14 × 4-Kondensatormatrix 10 ergibt.
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Die
Steuerung erfolgt durch einen Schaltkreis, der einen Mikrocontroller 100 aufweist.
Mittels einer differentiellen Messtechnik 21, die beispielsweise
einen Differenzverstärker
aufweist, wird jede Spannung jeder Zeilenkapazität verstärkt und zu deren Bestimmung über einen
Multiplexer 121 und einen Analog-Digital-Konverter 110 der
Recheneinheit im Mikrocontroller 100 zugeführt. Dabei
kann der Analog-Digital-Konverter 110 ebenfalls integraler
Bestandteil des Mikrocontrollers 100 sein.
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Der
Mikrocontroller 100 steuert über einen Multiplexer 150 und
einen oder mehrere Pegelwandler 51 einen ersten Feldeffekttransistor
MB als Teil eines Bypasses 61 zum
möglichen
Deaktivieren der zugeordneten Kapazitäten C der Zeile. Hierzu überbrückt der
Feldeffekttransistor MB des Bypasses 61 die
Anschlüsse
der Kondensatoren C der Zeile und schließt dabei die Kapazität kurz.
Eine Symmetriereinrichtung 71 als Mittel zum Symmetrieren
der Spannungen der Kapazitäten
untereinander wird vom Mikrocontroller 100 über den
Multiplexer 150 und einen oder mehrere Pegelwandler 52 derart
gesteuert, dass im Bedarfsfall den Kapazitäten C der betroffenen Zeile
mittels eines Feldeffekttransistors MS ein
Widerstand R der Symmetriereinrichtung 71 parallel geschaltet
wird.
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Die
Pegelwandler 51 und 52 sind erforderlich, weil
alle Bypässe 61 und
Symmetriereinrichtungen 71 in der Matrix 10 auf
unterschiedlichem Potential liegen. Durch das Aktivieren einer Symmetriereinheit 71 wird
die entsprechende Zeile der Matrix 10 durch den Widerstand
R belastet und somit langsamer geladen bzw. mehr entladen als alle
anderen Matrixzeilen. Wenn die Matrix 10 selbst während des Symmetrierungsprozesses
an eine konstante Spannung gelegt wird, erhöht sich die Zeilenspannung
der Zeilen, deren Symmetriereinheit 71 nicht aktiv ist,
so dass deren Feldeffekttransistor MS sperrt.
Hingegen verringert sich die Zeilenspannung der Zeilen mit aktiver
Symmetriereinheit 71 gegenüber den Zeilen mit nicht aktiver
Symmetriereinheit 71.
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Mit
dem Bypass 61 wird es dem Mikrocontroller 100 ermöglicht,
eine Zeile im Energiespeicher 10 für einen Kurzschluss derselben
zu überbrücken und
somit zu deaktivieren. Dies kann nötig sein, wenn der Mikrocontroller 100 z.B.
eine zu hohe Selbstentladung oder einen Kurzschluss in einer Zeile
feststellt. Falls die kurzzuschließende Zeile vor der Aktivierung
des Bypasses 61 noch über
Ladung verfügt,
muss diese mittels der Symmetriereinheit 71 entladen werden.
Würde eine
defekte Matrixzeile, die z.B. eine zu große Selbstentladung hat, nicht
durch den Bypass 61 überbrückt werden,
würde sich
die defekte Zeile bei einem Entladeprozess umgekehrt aufladen. Dies
hat zur Folge, dass weniger Energie aus der Kondensatormatrix 10 entnommen
werden kann. Der Energiespeicher 10 kann bei dem oben beschriebenen
Verfahren beliebig in seinen Dimensionen verändert werden.
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2 zeigt
ein Flussdiagramm, dass zumindest einen Teil eines Verfahrensablaufes
zur Symmetrierung darstellt, das beispielsweise in Form eines Computerprogramms
in dem Mikrocontroller 100 gespeichert oder in einem anwendungsspezifischen Schaltkreis
(ASIC) festverdrahtet ausgebildet sein kann.
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In
einem ersten Verfahrensschritt werden die analogen Spannungen jeder
Matrixzeile in ein Datenarray des Mikrocontrollers 100 eingelesen.
Im nachfolgenden zweiten Verfahrensschritt wird eine nominale Zeilenspannung
bestimmt, indem die Werte des Arrays nach Spannungswerten sortiert
werden und nachfolgend der Spannungswert in der Mitte des Arrays
der nominalen Zeilenspannung zugeordnet wird. Im Gegensatz zu einer
Mittelwertbildung wird mit diesem Verfahrensschritt verhindert,
dass defekte Zeilen einen signifikanten Einfluss auf die nominale Zeilenspannung
haben.
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Im
dritten Schritt beginnt nun eine Schleife über alle Zeilen der Matrix.
In dieser Schleife wird in Schritt vier die aktuelle betrachtete
Zeilenspannung mit einem Bruchteil, insbesondere einem viertel der durchschnittlichen
Zeilenspannung, vergleichen. Ist die aktuelle Zeilenspannung dabei
kleiner als der Bruchteil wird die Symmetrierung für diese
Zeile in Schritt fünf
aktiviert, da für
diese Zeile ein Fein- oder Kurzschluss
angenommen werden kann. Zur Aktivierung wird der Transistor MS angesteuert, so dass ein Strom fließt über den
Widerstand R und den Transistor MS, die
parallel zur Zeile geschaltet sind.
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Ist
dagegen die Zeilenspannung größer als der
Bruchteil der durchschnittlichen Zeilenspannung, so erfolgt in Schritt
sechs eine weitere Abfrage. Ist in diesem Schritt sechs die aktuelle
Zeilenspannung kleiner als die Differenz aus der nominalen Zeilenspannung
und einer vorgebbaren Symmetrietoleranz, so wird in Schritt sieben
die Symmetrierung für die
Zeile mit der höchsten
Spannung aktiviert. Anderenfalls folgt nach dem Schritt sechs oder
nach dem Schritt sieben eine weitere Abfrage in Schritt acht.
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Ist
in Schritt acht die Zeilenspannung der in Schritt sieben aktivierten
Symmetrierung kleiner oder gleich der nominalen Zeilenspannung,
so wird in Schritt neun die Symmetrierung für diese Zeile deaktiviert.
Zur Deaktivierung sperrt der zugeordnete Transistor MS.
Nachfolgend erfolgt eine weitere Abfrage in Schritt zehn.
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In
Schritt zehn wird die aktuelle Zeilenspannung verglichen mit der
Summe aus der nominalen Zeilenspannung und einer Symmetriertoleranz.
Ist die aktuelle Zeilenspannung größer, so erfolgt in Schritt
elf eine Aktivierung der Symmetrierung für diese Zeile. Schritt zwölf bildet
das Ende der Schleife. Vor einem erneuten Abfragen in den Schritten
vier, sechs, acht und zehn werden vorzugsweise die analogen Spannungen
jeder Matrixzeile erneut in das Datenarray eingelesen und die nominale
Zeilenspannung bestimmt (Schritte eins und zwei).
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3 zeigt
ein Ablaufdiagramm zur Bypassfunktionalität, die eine Deaktivierung einer
Matrixzeile ermöglicht.
In einem Schritt eins werden zunächst die
analogen Spannungen aller Matrixzeilen in ein Datenarray eingelesen.
Nachfolgend wird in Schritt zwei abgefragt, ob die Summe aller Zeilenspannungen
kleiner ist als ein Schwellwert. Gegebenenfalls werden alle Bypasseinheiten 61 in
Schritt drei deaktiviert, da davon ausgegangen werden kann, dass
die Kondensatormatrix 10 keine ausreichende Energie für die zugeordnete
Funktionalität
mehr aufweist und daher im Wesentlichen entleert ist. Ist die Summe
der Zeilenspannung dagegen größer als
der Schwellwert, so beginnt in Schritt vier eine Schleife über alle Zeilen
der Matrix 10.
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Innerhalb
der Schleife wird in Schritt fünf
abgefragt, ob die aktuelle Zeilenspannung kleiner oder gleich null
[Volt] ist. Im bejahenden Fall kann davon ausgegangen werden, dass
diese Zeile der Matrix keine Ladung mehr aufweist und sich mit einem
weiteren Entladestrom verpolen oder weiter negativ aufladen würde. Das
negative Aufladen einer Kondensatorzeile hat nicht nur eine Verminderung
der verfügbaren
Energie zur Folge, sondern auch eine Reduzierung der am Ausgang
des Energiespeichers zur Verfügung
stehenden Klemmenspannung. Demzufolge wird in Schritt sechs der
Bypass 61 für
diese Zeile aktiviert. Ist die Zeilenspannung dagegen größer Null,
wird in Schritt sieben der Bypass 61 deaktiviert, sofern
dieser zuvor aktiviert war. Nachfolgend ist in Schritt acht das
Ende der Schleife angeführt.
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- 10
- Kondensatormatrix
- 100
- Recheneinheit,
Mikrocontroller
- 150,
121
- Multiplexer
- 110
- Analog-Digital-Umsetzer
- 51,
52
- Pegelwandler
- 61
- Bypassvorrichtung
zur Deaktivierung
- 71
- Symmetriereinheit
- 21
- Messmittel,
Differenzverstärker
- C
- Kondensator
- N
- Zeilenanzahl
- n
- Anzahl
parallel geschalteter Kondensatoren je Zeile