-
Die
Erfindung betrifft einen Speicher für elektrische Energie mit einer
Mehrzahl an Speicherzellen. Außerdem
betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Steuerung eines Energiespeichers.
-
Speicher
für elektrische
Energie, insbesondere zur Speicherung elektrischer Traktionsenergie in
Elektrofahrzeugen oder Hybridfahrzeugen, sind aus dem allgemeinen
Stand der Technik bekannt. Typischerweise weisen solche Energiespeicher
einzelne Speicherzellen auf, die beispielsweise in Reihe und/oder
parallel elektrisch miteinander verschaltet sind.
-
Grundsätzlich sind
als Speicherzellen dabei verschiedenartige Akkumulatorzellen oder
Kondensatorzellen denkbar. Aufgrund der vergleichsweise hohen Energiemengen
und insbesondere der hohen Leistungen, die bei der Speicherung und
Entnahme von Energie bei der Anwendung in Antriebssträngen von
Fahrzeugen und hier insbesondere von Nutzfahrzeugen auftreten, werden
als Speicherzellen bevorzugt solche mit einem ausreichenden Energieinhalt
und hoher Leistung angesetzt. Dabei können beispielsweise Akkumulatorzellen
in Lithium-Ionen-Technologie oder insbesondere Speicherzellen in
Form sehr leistungsstarker Doppelschichtkondensatoren zum Einsatz
gelangen. Diese Kondensatoren werden auch als Superkondensatoren,
Supercaps oder Ultra-Capacitors
bezeichnet.
-
Unabhängig davon,
ob nun Superkondensatoren oder Akkumulatorzellen herkömmlicher
Art mit hohem Energieinhalt eingesetzt werden, ist es bei derartigen
Speichern, die aus einer Vielzahl von Speicherzellen bestehen, allgemein üblich, diese Speicherzellen
in Gruppen, auch Submodule genannt, zusammenzufassen. Ein Submodul
kann also eine oder mehrere Speicherzellen umfassen. Die eingesetzten
Speicherzellen sind oftmals mit einer Elektronik versehen, die beispielsweise Überwachungsaufgaben
wie etwa den sogenannten Zellspannungsausgleich („Balancing”) übernimmt.
Bei dem Zellspannungsausgleich wird verhindert, dass einzelne Speicherzellen
eine zu hohe Spannung aufweisen. Zur Vermeidung einer solchen Überspannung
werden die einzelnen Speicherzellen unter bestimmten Umständen in
ihrer Spannung abgesenkt. Dies geschieht beispielsweise durch eine
Entladung einer Speicherzelle über
einen Verbraucher wie etwa einem Widerstand. Diese Überwachungselektronik
ist oft Teil der Submodule oder ist den einzelnen Submodulen zugeordnet.
Eine zentrale Steuereinrichtung übernimmt
die Gesamtsteuerung der Submodule. Dazu werden die einzelnen Submodulelektroniken geeignet
an die Steuereinrichtung angeschlossen.
-
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Speicher für elektrische
Energie anzugeben, bei dem die Ansteuerung der Submodulelektroniken
mit geringem Aufwand beispielsweise hinsichtlich der Verkabelung
oder der Ansteuerung realisiert ist. Es ist weiter eine Aufgabe
der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung eines Energiespeichers
anzugeben, das einen geringeren Verkabelungsaufwand bedeutet.
-
Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Der
erfindungsgemäße Speicher
für elektrische
Energie umfasst eine Mehrzahl an Speicherzellen sowie eine Steuereinrichtung.
Jeder Speicherzelle oder einer Gruppe von Speicherzellen ist eine
Submodulelektronik zugeordnet. Erfindungsgemäß ist die Steuereinrichtung über eine
erste Leitung mit einer ersten Submodulelektronik weiter verbunden.
Weiter ist die Steuereinrichtung über die genannte erste Leitung
und über eine
zweite Leitung mit der zweiten Submodulelektronik verbunden. Die
zweite Leitung erstreckt sich zwischen der ersten Submodulelektronik
und der zweiten Submodulelektronik. Für die zweite Leitung ist ein
steuerbarer Schalter vorgesehen. Dieser unterbricht in seinem offenen
Schaltzustand die zweite Leitung und verbindet die zweite Leitung
in seinem geschlossenen Schaltzustand. In dem geschlossenen Schaltzustand
ist also die erste Submodulelektronik mit der zweiten Submodulelektronik über die zweite
Leitung verbunden. In dem offenen Schaltzustand des Schalters besteht
keine Verbindung zwischen der ersten Submodulelektronik und der
zweiten Submodulelektronik und damit auch nicht zwischen der Steuereinrichtung
und der zweiten Submodulelektronik. In dem offenen Schaltzustand
wird der ersten Submodulelektronik eine erste eindeutig identifizierende
Adresse zugewiesen. Nachdem aufgrund der fehlenden Verbindung zwischen
der ersten und der zweiten Submodulelektronik die zweite Submodulelektronik
nicht ansprechbar ist, kann die Zuweisung der identifizierenden
Adresse nur an die erste Submodulelektronik erfolgen. Mit oder nach
dem Zuweisen der ersten Adresse kann das Schließen des Schalters beziehungsweise
das Überführen des Schalters
in seinen geschlossenen Schaltzustand erfolgen. Auf diese Weise
besteht eine Verbindung zwischen der ersten Submodulelektronik und
der zweiten Submodulelektronik und damit indirekt auch zwischen
der Steuereinrichtung und der zweiten Submodulelektronik. Somit
tritt in dem Speicher für
elektrische Energie die zweite Submodulelektronik als unbekannte,
noch nicht adressierte Submodulelektronik auf. Dieser wird dann
eine zweite eindeutig identifizierende zweite Adresse zugewiesen.
Dies ermöglicht
somit eine ohne manuellen Eingriff erfolgende automatisierte Submodulelektronikadressierung.
-
In
diesem Zusammenhang ist es beispielsweise denkbar, jede der in dem
Speicher für
elektrische Energie vorhandene Submodulelektronik in geeigneter
Weise miteinander zu verbinden und durch die sequentiell aufeinanderfolgende Überführung der zwischen
den Submodulelektroniken vorhandenen Schalter in den geschlossenen
Schaltzustand nacheinander jeder der Submodulelektroniken eine eindeutig
identifizierende Adresse zuzuweisen. Somit braucht eine Vergabe
einer bestimmten Adresse für die
einzelnen Submodulelektroniken erst nach Zusammenstellung des gesamten
Systems vorgenommen zu werden. Eine Vorabzuweisung beispielsweise
durch Programmierung und Abspeichern einer Adresse in einem Flashspeicher
oder eine Hardwarecodierung über
DIP-Schalter kann entfallen. Auch nach einem Tausch einer einzelnen
oder mehrerer Submodulelektroniken im Wartungs- oder Reparaturfall
können
die Adressen automatisiert vergeben werden.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Submodulelektronik
von der Steuereinrichtung mittels der ersten Adresse über die
erste Leitung und die zweite Submodulelektronik von der Steuereinrichtung
mittels der zweiten Adresse über
die erste Leitung und die zweite Leitung ansprechbar ist. Somit
kann also die Steuereinrichtung bei geöffnetem Schalter lediglich die
erste Submodulelektronik ansprechen, bei geschlossenem Schalter
hingegen können
die erste und die zweite Submodulelektronik angesprochen werden.
-
Eine
mögliche
Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinrichtung die erste und/oder
die zweite Adresse zuweist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass
die erste Submodulelektronik die zweite Adresse der zweiten Submodulelektronik zuweist. Übernimmt
die erste Submodulelektronik in einer Reihe von Submodulelektroniken
die Adressierungsaufgabe, kann diese Aufgabe in der Steuereinrichtung
entfallen. Dies entlastet die Steuerungseinrichtung.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Schalter in der ersten
und/oder in der zweiten Submodulelektronik angeordnet ist. Bei einem
Anordnendes Schalters in einer der Submodulelektroniken ergibt sich
eine besonders kompakte und wenig störungsanfällige Ausführungsform. Werden jeweils
in der ersten und der zweiten Submodulelektronik ein Schalter angeordnet,
ermöglicht
dies bei einer entsprechenden Anordnung der Submodulelektroniken
das Isolieren eines Kurschlusses. Wird die Anordnung der Submodulelektroniken
ringförmig
ausgeführt,
das heißt,
besteht zwischen der Steuereinrichtung, der ersten, der zweiten
und gegebenenfalls weiteren Submodulelektroniken jeweils eine lineare
unverzweigte Verbindung und wird die letzte Submodulelektronik wieder mit
der Steuereinrichtung verbunden, kann ein zwischen den Submodulelektroniken
bestehender Kurzschluss, das heißt eine unerwünschte Verbindung der
Verbindungsleitung mit einem gemeinsamen Bezugspotenzial oder der
Verbindungsleitungen untereinander isoliert werden. Wird zum Beispiel
ein solcher Kurzschluss beim Einschalten eines Schalters beispielsweise
dadurch detektiert, dass der Strombedarf der hinzugeschalteten Submodulelektronik
einen bestimmten Wert überschreitet,
kann der Schalter wiederum geöffnet
werden und die Versorgung der Submodulelektronik mit dem erhöhten Strombedarf über die
andere Seite der Ringleitung erfolgen.
-
Eine
erfindungsgemäße Weiterbildung
der Erfindung sieht vor, dass die Steuereinrichtung in einer Submodulelektronik
angeordnet ist. Dies erlaubt den Wegfall einer zentralen Steuereinrichtung
und bietet die Möglichkeit,
das gesamte System selbstorganisierend zu gestalten. Somit kann
durch die Einsparung der zentralen Steuerungsfunktionalität das gesamte
System einfacher und kostengünstiger
hergestellt werden. Zudem kann es flexibler konfiguriert werden.
Dabei kann die Steuereinrichtungsfunktion in einer einzelnen Submodulelektronik, über mehrere Submodulelektroniken
verteilt oder in jeder Submodulelektronik vorgesehen sein. Die Steuereinrichtungsfunktionalität kann zudem
zusätzlich
als eigenes Bauteil in dem Submodul vorgesehen oder in die Submodulelektronik
selbst integriert sein.
-
Eine
mögliche
Ausführungsform
der Erfindung sieht vor, dass die erste und/oder die zweite Leitung
Datenleitungen sind. Dabei kann es zusätzlich vorgesehen sein, dass
Stromleitungen permanent zwischen den einzelnen Submodulelektroniken bestehen
und nur die Datenleitung mittels des Schalters geöffnet oder
geschlossen wird.
-
Alternativ
dazu kann die erste und/oder die zweite Leitung eine Stromleitung
sein. Dabei kann insbesondere zusätzlich vorgesehen sein, dass
eine Datenleitung permanent zwischen den einzelnen Submodulelektroniken
vorhanden ist, während
die Stromversorgung der einzelnen Submodulelektroniken durch den
Schalter gesteuert wird.
-
Eine
besonders bevorzugte Ausführungsform
sieht vor, dass die Stromleitungen als Datenleitungen fungieren
können.
Bei den Stromleitungen handelt es sich um die Stromversorgungsleitungen für die Submodulelektroniken.
Die Datenübertragung kann
beispielsweise durch eine Modulation der Versorgungsspannung, des über die
Leitungen fließenden
Stromes oder auch durch eine Kombination der genannten Möglichkeiten
erfolgen. Beispielsweise kann die Versorgungsspannung der einzelnen
Submodulelektroniken moduliert werden. Dabei muss die Versorgungsspannung
strombegrenzt sein. Es kann auch beispielsweise vorgesehen sein,
dass die Steuereinrichtung Daten oder Signale über eine Spannungsmodulation
der Stromleitung an die Submodulelektroniken sendet, während die
Submodulelektroniken über
eine Strommodulation Daten oder Signale senden.
-
Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Speicherzellen in Reihe
und/oder parallel geschaltet sind. Beispielsweise können Gruppen
von Speicherzellen, denen jeweils eine Submodulelektronik zugeordnet
ist, untereinander in Reihe geschaltet sein, während die Speicherzellen innerhalb
einer Gruppe parallel geschaltet sein können.
-
Eine
weitere erfindungsgemäße Ausführung der
Erfindung ergibt sich dadurch, dass die Submodulelektroniken Zustandsparameter
der Speicherzelle erfassen und gegebenenfalls an eine Steuereinrichtung
senden. Bei den Zustandsparametern kann es sich beispielsweise um
die momentane Speicherzellenspannung, um eine Temperatur beispielsweise der
Speicherzelle, etc. handeln. Des Weiteren kann in den Submodulelektroniken
eine Vorverarbeitung der Zustandsparameter erfolgen. Beispielsweise können die
Zustandsparameter gefiltert werden oder Maximalwerte ermittelt werden.
Dies kann das an eine zentrale Steuereinrichtung gesendete Datenvolumen
und damit die Buslast verringern.
-
Eine
erfindungsgemäße Ausführungsform der
Erfindung sieht vor, dass eine Mehrzahl an Submodulelektroniken
linear unverzweigt oder ringförmig unverzweigt
miteinander verbunden sind. Eine linear unverzweigte Anordnung bietet
die Möglichkeit
der Realisierung eines gemeinsamen Busses für alle Submodulelektroniken
und hält
den Verkabelungsaufwand gegenüber
einem sternförmigen
Bus gering, bei dem jede Submodulelektronik über einen eigenen Bus mit der
Steuereinrichtung verbunden ist. Bei einer ringförmig unverzweigten Anordnung
ergibt sich zudem der bereits erwähnte Vorteil einer besonders hohen
Zuverlässigkeit
des Energiespeichers, da Unterbrechungen oder Kurzschlüsse zwischen
den Submodulelektroniken über
die Bildung zweiter Stichleitungen isoliert werden können.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird auch durch ein Verfahren
zur Steuerung eines Energiespeichers gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist ein Energiespeicher mit einer Mehrzahl an Speicherzellen sowie
eine Steuereinrichtung vorgesehen, wobei jeder Speicherzelle oder
einer Gruppe von Speicherzellen eine Submodulelektronik zugeordnet
ist. Die Steuereinrichtung ist mit einer ersten Submodulelektronik
und die erste Submodulelektronik mit einer zweiten Submodulelektronik
verbunden. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Die Steuereinrichtung
initiiert eine Vergabe von eindeutig identifizierbaren Adressen
an die Submodulelektroniken. Eine erste eindeutig identifizierbare
Adresse wird an die erste Submodulelektronik vergeben. Dies kann
beispielsweise durch die Steuereinrichtung geschehen. Auf die Vergabe
der ersten Adresse hin wird die Verbindung zwischen der ersten Submodulelektronik
und der zweiten Submodulelektronik beispielsweise durch das Betätigen eines
in der Verbindung angebrachten Schalters aktiviert. Durch das Aktivieren
der Verbindung besteht nun die Möglichkeit,
eine zweite eindeutig identifizierbare Adresse an die zweite Submodulelektronik
zu vergeben. Die Vergabe der zweiten eindeutig identifizierenden
Adresse kann dabei durch die Steuereinrichtung, aber auch durch
die erste Submodulelektronik erfolgen.
-
Eine
erfindungsgemäße Ausführungsform des
Verfahrens sieht vor, dass die Vergabe der zweiten Adresse auf das
Erkennen der zweiten Submodulelektronik als nicht adressierte zweite
Submodulelektronik erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass beispielsweise
bei einem Austausch einer Submodulelektronik ein beliebiges Ersatzexemplar
verwendet werden kann, da dessen Adresse innerhalb des Energiespeichers
automatisch zugewiesen werden kann. Eine Vorabvergabe von Adressen
kann entfallen.
-
Eine
weitere erfindungsgemäße Ausführungsform
des Verfahrens umfasst folgende Schritte: Erkennen einer Leitungsstörung zwischen
der ersten Submodulelektronik und der zweiten Submodulelektronik;
und Deaktivieren der Verbindung zwischen der ersten Submodulelektronik
und der zweiten Submodulelektronik.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Energiespeichers ergeben
sich ferner aus dem Ausführungsbeispiel,
das nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben ist.
-
Es
zeigen:
-
1 einen
beispielhaften Aufbau eines Hybridfahrzeugs;
-
2a und 2b eine
erste und eine zweite Ausführungsform
der Erfindung; und
-
3a–3c eine
dritte Ausführungsform der
Erfindung.
-
In 1a ist ein Hybridfahrzeug 1 schematisch
dargestellt. Es weist zwei Achsen 2, 3 mit je zwei
beispielhaft angedeuteten Rädern 4 auf.
Die Achse 3 ist eine angetriebene Achse des Fahrzeugs 1,
während
die Achse 2 in an sich bekannter Art und Weise lediglich
mitläuft.
Zum Antrieb der Achse 3 ist beispielhaft ein Getriebe 5 dargestellt,
welches die Leistung von einer Verbrennungskraftmaschine 6 und
einer elektrischen Maschine 7 aufnimmt und an die angetriebene
Achse 3 leitet. Im Antriebsfall kann die elektrische Maschine 7 alleine
oder ergänzend zur
Antriebsleistung der Verbrennungskraftmaschine 6 Antriebsleistung
in den Bereich der angetriebenen Achse 3 leiten und somit
das Fahrzeug 1 antreiben beziehungsweise den Antrieb des
Fahrzeugs 1 unterstützen.
Außerdem
kann beim Abbremsen des Fahrzeugs 1 die elektrische Maschine 7 als
Generator betrieben werden, um so beim Bremsen anfallende Leistung
für das
Fahrzeug 1 zurückzugewinnen und
entsprechend zu speichern. Um beispielsweise bei einem Einsatz des
Fahrzeugs 1 als Stadtbus auch für Bremsvorgänge aus höheren Geschwindigkeit, die
bei einem Stadtbus beispielsweise bei ca. 70 km/h liegen können, ausreichenden
Energieinhalt bereitstellen zu können,
muss für
diesen Fall ein Speicher 10 für elektrische Energie vorgesehen
werden, der einen Energieinhalt in der Größenordnung von 350–700 Wh
aufweist. Damit lassen sich auch Energien, die beispielsweise bei
einem ca. 10 Sekunden langen Bremsvorgang aus einer solchen Geschwindigkeit
anfallen, über
die elektrische Maschine 7, die typischerweise eine Leistung
in der Größenordnung
von ca. 150 kW hat, in elektrische Energie umsetzen und in dem Speicher 10 speichern.
Zur Ansteuerung der elektrischen Maschine 7 sowie zum Laden
und Entladen des Speichers 10 für elektrische Energie weist
der Aufbau gemäß 1 einen
Umrichter 9 auf, der in an sich bekannter Art und Weise mit
einer integrierten Steuereinrichtung für das Energiemanagement ausgebildet
ist. Über
den Umrichter 9 mit der integrierten Steuereinrichtung
wird der Energiefluss zwischen der elektrischen Maschine 7 und dem
Speicher 10 für
elektrische Energie entsprechend koordiniert. Die Steuereinrichtung
sorgt dafür, dass
beim Bremsen im Bereich der dann generatorisch angetriebenen elektrischen
Maschine 7 anfallende Leistung, soweit möglich, in
den Speicher 10 für
elektrische Energie eingespeichert wird, wobei im Allgemeinen eine
vorgegebene obere Spannungsgrenze des Speichers 10 nicht überschritten
werden darf. Im Antriebsfall koordiniert die Steuereinrichtung im
Umrichter nur die Entnahme elektrischer Energie aus dem Speicher 10,
um in diesem umgekehrten Fall die elektrische Maschine 7 mittels
dieser entnommenen Leistung anzutreiben. Neben dem hier beschriebenen
Hybridfahrzeug 1, welches beispielsweise ein Stadtbus sein
kann, ist ein vergleichbarer Aufbau auch in einem reinen Elektrofahrzeug
denkbar.
-
Die 2a zeigt
eine erste Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Eine Steuereinrichtung 12, die
beispielsweise in der integrierten Steuereinrichtung des Umrichter 9 der 1 enthalten
oder unabhängig
davon angeordnet sein kann, ist mit einer Reihe von Submodulen 20, 30, 40 verbunden. Ein
Submodul 20, 30, 40 umfasst je eine Submodulelektronik 22, 32, 42 sowie
eine zugeordnete Speicherzelle (nicht abgebildet). Die Anzahl der
Submodule 20, 30, 40 ist für den Erfindungsgedanken
unwesentlich und kann von zwei Submodulen bis zu mehreren hundert
reichen. Bei dem bezüglich 1 genannten
Ausführungsbeispiel
und einer entsprechenden elektrischen Antriebsleistung von ca. 100
bis 200 kW, beispielsweise 120 kW, ergeben sich für einen realistischen
Aufbau insgesamt ca. 150 bis 200 Speicherzellen, die jeweils einzeln,
paarweise oder zu mehreren in einem der Submodule angeordnet sein können. Zwischen
der Steuereinrichtung 12 und einem ersten Submodul 20 ist
eine als Busleitung fungierende erste Leitung 24 sowie
eine als Stromversorgungsleitung fungierende zweite Leitung 26 vorgesehen.
Die Busleitung wird über
eine weitere Leitung 34, die sich zwischen dem ersten Submodul 20 und
einem nachfolgenden zweiten Submodul 30 befindet, zu den
zweiten Submodul 30 weitergeführt und in gleicher Weise über eine
weitere Leitung 44 zu einem letzten Submodul 40 geführt. Die
Stromversorgungsleitung wird ebenfalls über weitere Leitungen 36, 46 zu
dem zweiten Submodul 30 und dem letzten Submodul 40 weitergeführt. In
der aus der zweiten Leitung 26 und der weiteren als Stromversorgungsleitung
dienenden Leitung 36 gebildeten Stromversorgungsleitung
für das
zweite Submodul 30 ist in dem ersten Submodul 20 ein
ansteuerbarer Schalter 28 angeordnet. Die Submodulelektronik 22 des
ersten Submodul 20 ist dazu ausgelegt, den Schalter 28 anzusteuern.
Sie ist mit der zweiten Leitung 26 verbunden und wird so
mit Strom versorgt. Die Submodulelektronik 22 ist außerdem mit
der ersten Leitung 24 verbunden.
-
Die
Submodule 30, 40 weisen einen zu dem Aufbau des
ersten Submoduls 20 überwiegend
identischen Aufbau auf. Die weitere als Stromversorgungsleitung
dienende Leitung 46 für
das dritte Submodul 40 ist ebenfalls durch einen in dem
zweiten Submodul 30 angeordneten Schalter 38 steuerbar. Das
letzte Submodul 40 weist ebenfalls einen die weitere als
Stromversorgungsleitung dienende Leitung 46 unterbrechenden
Schalter 48 auf, der durch die Submodulelektronik 42steuerbar
ist. Alle Submodulelektroniken 22, 32, 42 sind über eine
gemeinsame Potentialleitung 50 mit einem gemeinsamen Potential 52 verbunden,
das beispielsweise eine Gehäusemasse
oder Erde sein kann.
-
Für eine Vergabe
einer eindeutigen Adresse für
jede Submodulelektronik 22, 32, 42 schaltet
zunächst
die Steuereinrichtung 12 die Stromversorgung der Submodulelektronik 22 des
ersten Submoduls 20 ein, sodass zunächst nur die Submodulelektronik 22 mit
Strom versorgt ist. Der Schalter 28 des ersten Submoduls 20 ist
geöffnet.
Die Steuereinrichtung 12 kann über die erste Leitung 24 nur
die Submodulelektronik 28 des ersten Submoduls 20 ansprechen.
Dieser Submodulelektronik 28 teilt die Steuereinrichtung 12 eine
erste Adresse mit, beispielsweise A1. Anschließend erteilt die Steuereinrichtung 12 der
Submodulelektronik 22 den Befehl, den Schalter 28 zu
schließen.
Somit ist die Submodulelektronik 32 des Submoduls 30 mit
Strom versorgt. Über
den aus den ersten Leitungen 24 und 34 gebildeten
Bus sind nun zwei Elektroniken 22, 32 ansprechbar:
Eine unbekannte, noch nicht adressierte Elektronik 32 und
die Submodulelektronik 22 mit der Adresse A1. Die noch
nicht adressierte Elektronik ist die Submodulelektronik 32.
Dieser wird nun die Adresse A2 zugewiesen, danach erteilt die Steuereinrichtung 12 über die
ersten Leitungen 24 und 34 der Submodulelektronik 32 den
Befehl, den Schalter 28 zu schließen. Dieser Vorgang kann sich
nun sukzessive bis zur letzten Submodulelektronik 42 fortsetzen.
-
2b zeigt
eine alternative zweite Ausführungsform
der Erfindung. Es wurden gleiche Bezugszeichen für gleiche oder vergleichbare
Elemente verwendet. Der wesentliche Unterschied zwischen der Ausführungsform
der 2a und der der 2b besteht
darin, dass nicht die Versorgungsspannung über die zweiten Leitungen 26, 36 und 46 und über die
steuerbaren Schalter 28, 38 durchgeschaltet wird,
sondern dass die Schalter 28, 38, 48 die
als Busleitungen fungierenden ersten Leitungen 24, 34 und 44 unterbrechen
beziehungsweise durchschalten. Somit sind also die Submodulelektroniken 22, 32, 42 stets
mit der Versorgungsspannung über
die zweiten Leitungen 26, 36, 46 versorgt.
Es wird statt der Versorgungsleitung die als Busleitung dienenden ersten
Leitungen 24, 34, 44 über die Schalter 28, 38, 48 hinzugeschaltet
beziehungsweise unterbrochen.
-
Für die beiden
vorhergehenden und für
die folgenden Ausführungsformen
gilt, dass das System so erweitert beziehungsweise ergänzt werden
kann, dass die Module sich selbst adressieren. Dabei kann das erste
Submodul 20 in einer Reihe beispielsweise die Adressierungsaufgabe übernehmen.
Dadurch kann diese Aufgabe in der Steuereinrichtung 12 oder die
Steuereinrichtung 12 selbst entfallen. Dies setzt voraus,
dass die einzelnen Submodule die Aufgabe in der Steuereinrichtung 12 vollständig übernehmen und
ausreichend „intelligent” ausgeführt sind.
Mit Hilfe dieser Selbstorganisation kann somit ein zentrales Bauteil
eingespart und die gesamte Konfiguration des Systems flexibler gestaltet
werden.
-
Des
Weiteren kann das System erweitert werden, indem die Datenübertragung
und die Stromversorgung der Submodulelektroniken über dieselben
Leitungen erfolgt. In der 2a würden dann
die ersten Leitungen 24, 34, 44, in der 2b die
zweiten Leitungen 26, 36, 46 entfallen.
Die Datenübertragung
würde dann
beispielsweise durch eine Modulation der Versorgungsspannung erfolgen.
Damit ein Submodul 20, 30, 40 seine Versorgungsspannung modulieren
kann, muss diese Versorgungsspannung strombegrenzt sein. Alternativ
dazu kann auch eine Modulation des Stromes, das heißt der Stromstärke oder
eine Kombination aus beiden erfolgen. Beispielsweise könnte die
Steuereinrichtung 12 über eine
Spannungsmodulation ihre Daten an die Submodulelektroniken 22, 32, 42 senden.
Die Submodule 20, 30, 40 können dann über eine
Strommodulation ihre Daten an die Steuereinrichtung 12 senden. Dies
bedeutet eine deutliche Kosteneinsparung, da sich der Verkabelungsaufwand
halbiert.
-
Die 3a bis 3c zeigen
eine dritte Ausführungsform
der Erfindung. In 3a ist ein Submodul 120,
in 3b zwei miteinander verbundene Submodule 120, 130 und
in 3c ein Detail einer Submodulelektronik dargestellt.
In den 3a bis 3c ist
die Versorgungsspannung, die gegebenenfalls auch den aufmodulierten
Datenbus umfasst, ringförmig
ausgeführt,
es sind aber jeweils nur eine bzw. zwei Submodulelektroniken der
ringförmigen
Struktur abgebildet. Ringförmig
bedeutet, dass die Steuereinrichtung 12 (siehe 2a, 2b) nicht
nur mit der ersten Submodulelektronik 20, sondern auch
mit der letzten Submodulelektronik 40 einer unverzweigten
Kette verbunden ist. Ein einzelnes Submodul (siehe 3a) 120 umfasst
eine Submodulelektronik 122, der über eine erste Leitung 126 Strom
zugeführt
werden kann. Über
eine zweite Leitung 136 wird der Strom an ein nachfolgendes
Submodul weitergeleitet. Die aus den Leitungen 126, 136 gebildete
Leitung wird durch zwei Schalter 128, 129 unterbrochen.
Die erste Leitung 126 ist über eine erste Diode 123 in
Durchlassrichtung mit der Elektronik 122 verbunden. In
gleicher Weise ist die zweite Leitung 136 über eine
zweite Diode 125 in Durchlassrichtung mit der Elektronik 122 verbunden.
Das Submodul 120 selbst ist über eine eigene Potentialleitung 150 mit
Masse beziehungsweise Erde 152 verbunden. Wird die Stromversorgung
für die
Submodulelektronik 122 beziehungsweise das Submodul 120 in der 3a von
der linken Seite über
die erste Leitung 126 zugeführt, so erfolgt die Versorgung
der Submodulelektronik 122 über die erste Diode 123. Nach
einer Adresszuweisung werden beide Schalter 128, 129 geschlossen,
die Spannungsversorgung ist nun zur rechten Seite über die
zweite Leitung 136 beziehungsweise zum nächsten Submodul
freigeschaltet und dessen Adresse kann zugewiesen werden. Wird die
Stormversorgung von der rechten Seite über die Leitung 136 zugeführt, erfolgt
die Versorgung der Elektronik 122 über die zweite Diode 125.
-
3b zeigt
die Situation zweier aufeinanderfolgender Submodule 120, 130,
einer ringförmigen
Anordnung bei denen in der aus den beiden Teilleitungen 136, 137 zusammengesetzten
Verbindungsleitung zwischen dem ersten Submodul 120 und
dem nachfolgenden Submodul 130 eine schematisch als Masse- beziehungsweise
Erdungsverbindung 160 dargestellter Kurzschluss aufgetreten ist.
Das zweite Submodul 130 ist weitgehend identisch zu dem
Submodul 120 aufgebaut. Es weist zwischen der ersten Leitung 137 und
der zweiten Leitung 146 zwei Schalter 138, 139 auf.
Die Leitung 137
ist über
eine erste in Durchlassrichtung angeordnete Diode 133 mit
einer Submodulelektronik 132 verbunden. Die zweite Leitung 146 des
Submoduls 130 ist über
eine zweite Diode 135 in Durchlassrichtung mit der Submodulelektronik 132 verbunden.
Die zweite Leitung 146 ist entweder direkt oder über weitere Submodulelektroniken
mittelbar mit einer Steuereinrichtung verbunden (nicht abgebildet),
so dass sich eine Ringstruktur ergibt. Das Submodul 130 ist über eine
eigene Potenzialleitung 151 mit Masse beziehungsweise Erde 154 verbunden.
In diesem Fall ist es möglich,
den aus den Submodulen 120, 130 und gegebenenfalls
weiteren, nicht dargestellten Submodulen gebildeten Ring aufzutrennen
und als zwei Stichleitungen zu betreiben. Zu diesem Zweck werden
die Schalter 129 und 138 geöffnet, sodass der Kurzschluss 160 isoliert
ist. Ein Kurzschluss kann zum Beispiel dadurch detektiert werden,
dass sich der Strom eines Submoduls beim Einschalten eines ein nachfolgendes
Moduls um einen größeren Betrag erhöht, als
der Strombedarf der nun versorgten Submodulelektronik erwarten lässt.
-
3c zeigt
eine mögliche
Ausführungsform der
beiden Schalter 128, 129. Die Schalter sind durch zwei
MOSFETs 210, 212 realisiert. Diese umfassen zwischen
der Source S und Drain D des eigentlichen MOSFETs 210, 212 eine
sogenannte Bodydiode 214, 216. Die MOSFETs 210, 212 können also
nur als Schalter benutzt werden, wenn jeweils Drain D positiver
ist als Source S. Dann ist die Steuerung der Schalter 128, 129 über das
Gate G möglich.
Im anderen Fall würde
immer ein Strom über
die Bodydiode 214, 216 fließen.
-
Bei
einem Bus in Ringstruktur wie anhand der 3b erläutert hängt es davon
ab, aus welcher Richtung die Spannung gespeist wird. Dementsprechend
ist entweder Drain D oder Source S positiver. Werden nun zwei MOSFETs 128, 129 gegeneinander geschaltet,
ist die Richtung der Stromeinspeisung egal, da eine der Bodydioden 214, 216 immer
sperrt. Im Falle der normalen Adressvergabe und der schrittweisen
Zuschaltung weiterer Submodule werden die Gates G immer synchron
angesteuert. Im Fall der Kurzschlussisolation wie anhand der 3b erläutert wird
nur eines der beiden Gates G angesteuert.
-
Alternativ
zu der eben beschriebenen Ausführungsform
mit MOSFETs 210, 212 ist es auch möglich, andere
mechanische, elektronische oder elektromagnetische Schalter zu verwenden,
die ansteuerbar sind. Insbesondere ist es auch möglich, statt zweier Schalter 128, 129 je
Submodul nur einen Schalter je Submodul beziehungsweise je Submodulverbindungsleitung
vorzusehen.
