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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Energiespeichers, der eine Mehrzahl von Speichereinheiten aufweist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Erfindung betrifft ferner eine Überwachungsanordnung zum Überwachen eines derartigen Energiespeichers. Ferner betrifft die Erfindung eine Überwachungsschaltung zum Überwachen einer einzelnen Speichereinheit eines derartigen Energiespeichers sowie ein entsprechendes Verfahren zum Überwachen der einzelnen Energiespeichereinheit.
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Die Erfindung betrifft insbesondere Energiespeicher, die zur Speicherung von Bremsenergie eingesetzt werden, insbesondere Bremsenergie von Schienenfahrzeugen. Dabei kann der Energiespeicher vom Fahrzeug selbst mitgeführt werden oder an der Strecke ortsfest angeordnet sein und elektrisch mit dem Energieversorgungsnetz verbunden sein, aus dem das Fahrzeug während der Fahrt Energie bezieht und beim Bremsen in das Netz einspeist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Energiespeicher und deren Überwachung beschränkt, die für die Speicherung von Bremsenergie eingesetzt werden.
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Bei den Energiespeichern kann es sich z. B. um in Reihe geschaltete Doppelschichtkondensatoren oder Batteriezellen handeln. Es sind jedoch auch andere Energiespeichertypen denkbar. Bei allen Energiespeichern sind Energiespeichereinheiten elektrisch in Reihe geschaltet, d. h. ihre elektrischen Spannungen addieren sich. Es hat sich gezeigt, dass eine zu hohe elektrische Spannung einer Speichereinheit ein Kriterium für den wahrscheinlich stattfindenden Ausfall der Einheit ist. Die zu hohe Spannung stellt dabei ein frühzeitig erkennbares Kriterium dar. In der Regel kann die Einheit noch längere Zeit weiter betrieben werden, bevor sie ausfällt. Grund für die zu hohe Spannung ist eine gegenüber dem ursprünglichen Zustand verringerte Energiespeicherkapazität. Wird die Speichereinheit mit demselben Ladestrom wie die anderen in Reihe geschalteten Speichereinheiten geladen, erhöht sich die Spannung bei der schadhaften Einheit schneller und auf höhere Werte, da die Speicherkapazität verringert ist.
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Eine Energiespeichereinheit kann aus einer einzelnen Zelle oder aus einer Mehrzahl von einzelnen Zellen bestehen, wobei diese Mehrzahl von einzelnen Zellen Zellen aufweisen kann, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Bei einem Energiespeicher, der in Reihe geschaltete Kondensatoren aufweist, bildet z. B. jeder Kondensator eine Zelle. Eine Zelle kann jedoch z. B. auch zwei parallel geschaltete Kondensatoren aufweisen. Bei in Reihe geschalteten Batteriezellen ist die einzelne Batteriezelle (z. B. Lithium-Ionen-Zelle) die Zelle. Für die Überwachung auf zu hohe Zellenspannung reicht es aus, z. B. zwei oder vier in Reihe geschaltete Zellen in ihrer Gesamtheit als Speichereinheit zu überwachen. Dabei muss die Speichereinheit nicht durch weitere bauliche Merkmale, z. B. eine gemeinsame Halterung oder ein gemeinsames Gehäuse, gegen andere Zellen und Speichereinheiten abgegrenzt sein. Die Speichereinheit kann allein dadurch definiert sein, dass ihre Gesamtspannung überwacht wird.
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Bei der Überwachung der Zellenspannung oder der Spannung von Speichereinheiten besteht das Problem, dass die elektrischen Potenziale der Zellen aufgrund der Reihenschaltung sehr verschieden sind. Z. B. kann der gesamte Energiespeicher eine Nominalspannung von ca. 1.000 Volt aufweisen, wobei eine Vielzahl von Zellen in Reihe geschaltet sind. Das niedrigere der beiden Potenziale an den beiden Speicheranschlüssen kann z. B. als Massepotenzial des Gesamtspeichers definiert werden. In diesem Fall befindet sich z. B. bezogen auf Masse das Potential der ersten Zelle im Bereich von 1 V, während sich das elektrische Potential der letzten Zelle am entgegengesetzten Pol des Energiespeichers etwa auf einem elektrischen Potenzial von 1.000 Volt befindet. Daher sind die zu überwachenden Spannungen der einzelnen Speichereinheiten wesentlich geringer als die Potenzialunterschiede in der Reihenschaltung. Dies kann zu sehr ungenauen Messungen führen, die nicht dazu geeignet sind, eine signifikante, absolut betrachtet aber geringe Erhöhung der Zellenspannung gegenüber einem früheren Zustand oder gegenüber der Zellenspannung anderer Zellen zu messen. Alternativ könnte die Überwachungsschaltung, die die Spannung einer einzelnen Speichereinheit überwacht, galvanisch gegen das Speicher-Massepotenzial getrennt sein oder lediglich über die Speicherzellen an das Gesamt-Speicher-Massepotenzial angekoppelt sein und könnte das von der Überwachungsschaltung erzeugte Messsignal ebenfalls galvanisch entkoppelt zu einer Auswertungseinrichtung übertragen werden. Der Aufwand für die galvanische Entkopplung jeder einzelnen Überwachungsschaltung ist jedoch groß. In der Praxis kommen Energiespeicher vor, die hundert oder mehrere hundert Speicherzellen aufweisen, die in Reihe geschaltet sind. Selbst wenn nur Gruppen von zwei bis vier Speicherzellen als Energiespeichereinheiten überwacht werden, würden typischerweise einige zehn galvanische Entkopplungen erforderlich sein.
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Außerdem sollten die Überwachungsschaltungen möglichst alle auf korrekte Funktion überprüft werden können. Ein entsprechender Funktionstest sollte nicht nur einmalig, zu Beginn der Inbetriebnahme ausgeführt werden, sondern wiederholt werden können. Bei galvanischer Trennung der Überwachungsschaltungen gegen Speichermasse müsste ein solcher Test einzeln für jede Speichereinheit bzw. die zugehörige Überwachungsschaltung separat ausgeführt werden. Zum Testen wären z. B. weitere galvanisch entkoppelte Anschlüsse der Überwachungsschaltungen erforderlich.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Überwachungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die den Aufwand für die Überwachung der Speichereinheiten reduziert, zuverlässige Überwachungsergebnisse ermöglicht und vorzugsweise ohne erheblichen Zusatzaufwand einen wiederholten Funktionstest der Überwachungsschaltungen ermöglicht.
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Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Überwachungsschaltungen, die jeweils eine Speichereinheit auf Überspannung überwachen, so miteinander zu koppeln, dass ein von einer Überwachungsschaltung erzeugtes Fehlersignal, das eine Überspannung der zugeordneten überwachten Speichereinheit anzeigt, einer benachbarten Überwachungsschaltung zugeführt wird, die eine in der Reihenfolge der Reihenschaltung der Speichereinheiten benachbarte Speichereinheit überwacht. Das der benachbarten Überwachungsschaltung zugeführte Fehlersignal löst in dieser ein Fehlersignal aus, auch wenn die von ihr überwachte Speichereinheit keine Überspannung aufweist. Sofern es sich bei der benachbarten Überwachungsschaltung nicht um die letzte Überwachungsschaltung in der Reihenfolge handelt, wird das von ihr erzeugte Fehlersignal wiederum an eine benachbarte Überwachungsschaltung weitergeleitet und löst in dieser wiederum ein Fehlersignal aus. Diese Kaskade von miteinander gekoppelten Überwachungsschaltungen setzt sich bis zu der letzten Überwachungsschaltung in der Reihenfolge der Überwachungsschaltungen fort. Daher erzeugt eine Überspannung in einer beliebigen Speichereinheit des Energiespeichers, die von der zugeordneten Überwachungsschaltung festgestellt wird, ein Fehlersignal in der Kaskade der Überwachungsschaltung, das letztendlich zu einem Fehlersignal in der letzten Überwachungsschaltung führt. Dabei wird das Fehlersignal innerhalb der durch die Kaskade gebildeten Reihenfolge der Überwachungsschaltungen immer zu der in einer vorgegebenen Richtung der Reihenfolge benachbarten Überwachungsschaltung weitergeleitet. Dabei gibt es Ausgestaltungen der Erfindung, bei der diese vorgegebene Richtung der Weiterleitung der Fehlersignale die Richtung ansteigender elektrischer Potenziale der zu überwachenden Energiespeicher ist und es gibt andere Ausgestaltungen, bei denen die Richtung der Weiterleitung der Fehlersignale der Richtung sich reduzierender elektrischer Potenziale der zu überwachenden Energiespeichereinheiten entspricht. In jedem Fall gilt, dass die Reihenschaltung der Energiespeichereinheiten zu einer Reihenschaltung der zugeordneten Überwachungsschaltungen führt, wobei die Stelle einer bestimmten Energiespeichereinheit in der Reihenfolge der Energiespeichereinheiten die gleiche Stelle ist, die die zugeordnete Überwachungsschaltung in der Reihenfolge der Überwachungsschaltungen hat.
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Um das Fehlersignal innerhalb der Kaskade bzw. Reihenfolge der Überwachungsschaltungen zu der letzten Überwachungsschaltung in der Reihenfolge weiterzuleiten, benötigt die erste Überwachungsschaltung in der Reihenfolge keinen Signaleingang, über den sie ein Fehlersignal oder entsprechendes Signal empfangen kann, das ein Fehlersignal in ihr auslöst. Ein solcher Signaleingang der ersten Überwachungsschaltung in der Reihenfolge wird aber zum Testen der Funktionsfähigkeit der Überwachungsanordnung bevorzugt. Ist ein solcher Signaleingang vorhanden, der als Testsignaleingang bezeichnet werden kann, kann ein Testsignal zu der ersten Überwachungsschaltung zugeführt werden, das darin ein Fehlersignal auslöst, welches zu der nächst benachbarten Überwachungsschaltung übertragen wird und dort wiederum ein Fehlersignal auslöst usw., bis die letzte Überwachungsschaltung in der Reihenfolge ein Fehlersignal produziert und ausgibt. Dieses durch das Testsignal ausgelöste Fehlersignal der letzten Überwachungsschaltung kann dazu genutzt werden zu erkennen, dass der Funktionstest erfolgreich war, d. h. jede der Überwachungsschaltungen in der Lage ist, ein Fehlersignal zu produzieren und weiterzuleiten.
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Vorzugsweise weist jede der Überwachungsschaltungen eine Schaltungseinheit oder Gruppe von Schaltungseinheiten auf, die das Fehlersignal produziert. Der Signaleingang, über den die Überwachungsschaltungen das Fehlersignal bzw. Testsignal von der in der Reihenfolge vorangehenden Überwachungsschaltungen empfangen, ist vorzugsweise (z. B. unmittelbar) mit einem Eingang dieser Signalerzeugungseinheit oder Gruppe von Signalerzeugungseinheiten verbunden. In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dieser Einheit um einen Komparator, insbesondere mit Verstärkerfunktion.
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Hierauf wird noch näher eingegangen. Ein entsprechendes Bauteil ist z. B. ein Operationsverstärker, der so in die Überwachungsschaltung integriert ist, dass er als Komparator und vorzugsweise mit Verstärkungsfunktion funktioniert. Es ist alternativ jedoch auch möglich, eine komplexere integrierte Schaltung oder eine andere Gruppe von Bauteilen zur Erzeugung des Fehlersignals zu verwenden. Dabei kann das Fehlersignal der benachbarten, vorangehenden Überwachungsschaltung unmittelbar dem Eingang der Einheit oder Gruppe von Einheiten zur Erzeugung des Fehlersignals zugeführt werden, oder es kann an anderer Stelle in die Überwachungsschaltung eingekoppelt werden. Auf Beispiele wird noch näher eingegangen.
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In jedem Fall führt jedoch sowohl die Einkopplung eines Fehlersignals aus der benachbarten, vorangehenden Überwachungsschaltung als auch eine Überspannung der zugeordneten, zu überwachenden Speichereinheit zu einem Fehlersignal der Überwachungsschaltung. Allerdings müssen die Fehlersignale in diesen beiden verschiedenen Fällen nicht exakt gleich sein. Es kommt nur darauf an, dass beide Fehlersignale von der wiederum nächst benachbarten, nachgeordneten Überwachungsschaltung als Fehlersignal genutzt werden kann, das wiederum ein Fehlersignal auslöst oder im Fall der letzten Überwachungsschaltung als Gesamtfehlersignal der Überwachungsanordnung erkannt wird. Vorzugsweise werden die Fehlersignale in beiden Fällen aber von derselben Schaltungseinheit oder Gruppe von Schaltungseinheiten erzeugt.
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Die Erfindung betrifft ferner eine einzelne Überwachungsschaltung zur Überwachung einer einzelnen Speichereinheit, wobei diese Überwachungsschaltung vorzugsweise zu der erfindungsgemäßen Kaskade von Überwachungsschaltungen, d. h. zu der Überwachungsanordnung mit weiteren Exemplaren der Überwachungsschaltung, kombiniert ist. Bevorzugt wird, dass die in der Kaskade verwendeten Überwachungsschaltungen alle von demselben Typ sind. Zwingend erforderlich ist dies jedoch nicht.
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Die einzelne Überwachungsschaltung zeichnet sich durch die folgenden Merkmale aus, die einzeln oder in Kombination bei der Überwachungsschaltung realisiert sein können:
- – Die Überwachungsschaltung weist einen Signalausgang auf, über den ein Fehlersignal ausgegeben werden kann. Wenn eine Überspannung in der zugeordneten zu überwachenden Speichereinheit auftritt, erzeugt die Überwachungsschaltung ein Fehlersignal, das über den Signalausgang ausgegeben wird. Die Ausgabe des Fehlersignals selbst ist dabei nicht als ein zwingenderweise aktiv gesteuerter Vorgang zu verstehen. Vielmehr kann die Überspannung das an dem Signalausgang vorliegende Fehlersignal aufgrund der Eigenschaften der Überwachungsschaltung auslösen, ohne dass es einer zusätzlichen Logik bedarf, die entscheidet, ob das Fehlersignal tatsächlich ausgegeben wird. Die Verwendung einer solchen Logik ist jedoch denkbar. Beispielsweise würde es eine solche Logik erlauben, zu bestimmten Zeiten die Ausgabe eines Fehlersignals zu sperren, etwa wenn der Energiespeicher nicht betrieben wird.
- – Die Überwachungsschaltung weist eine Einheit oder eine Gruppe von Einheiten auf, die ausgestaltet ist, das Fehlersignal zu erzeugen. Vorzugsweise, wie bereits erwähnt, handelt es sich bei der Einheit oder Gruppe von Einheiten um einen Komparator, d. h. um eine Einheit oder Gruppe, die zwei Eingangssignale miteinander vergleicht und abhängig davon das Fehlersignal erzeugt oder nicht erzeugt. Die Einheit oder Gruppe weist einen Ausgang auf, der mit dem Signalausgang verbunden ist oder identisch mit diesem ist.
- – Insbesondere in dem vorangegangenen Fall eines Komparators wird das Fehlersignal abhängig davon erzeugt, ob eine Ausgangsspannung eines Spannungsteilers ein bestimmtes, vordefiniertes Kriterium erfüllt. Daher weist die Überwachungsschaltung insbesondere einen solchen Spannungsteiler auf, der mit seinen einander gegenüberliegenden endseitigen Anschlüssen der zu überwachenden Energiespeichereinheit parallel geschaltet ist.
- – Besonders bevorzugt wird es, dass die Überwachungsschaltung eine Referenzspannungseinheit aufweist, die an einem Ausgang der Einheit ein Referenzpotenzial auf einer vorgegebenen oder vorbestimmten Höhe erzeugt, wenn an einem Eingang der Referenzspannungseinheit ein bestimmtes, vorgegebenen oder vorbestimmtes elektrisches Potenzial anliegt. Das Potenzial am Eingang der Einheit kann z. B. das Potenzial an einem Anschluss der Überwachungsschaltung sein, über dem die Überwachungsschaltung mit der zu überwachenden Energiespeichereinheit verbunden ist. Alternativ kann es sich bei dem Potenzial am Eingang der Referenzspannungseinheit um ein vorgegebenes oder vorbestimmtes Potenzial einer in der Reihenfolge der Überwachungsschaltungen benachbarten Überwachungsschaltung handeln. Dabei kann sich dieses Potenzial der benachbarten Überwachungsschaltung optional abhängig von dem Betriebszustand ändern. Insbesondere kann sich das Potenzial abhängig davon ändern, ob die benachbarte Überwachungsschaltung ein Fehlersignal erzeugt oder nicht erzeugt oder abhängig davon ändern, ob die benachbarte Überwachungsschaltung ein Fehlersignal von einer wiederum benachbarten Überwachungsschaltung empfängt oder nicht empfängt. Vorzugsweise jedoch ist das Potenzial am Eingang der Referenzspannungseinheit lediglich von dem Betriebszustand der zu überwachenden Energiespeichereinheit, einer dieser Energiespeichereinheit unmittelbar benachbarten Energiespeichereinheit und/oder einer der Überwachungsschaltung unmittelbar benachbarten Überwachungsschaltung abhängig. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass am Ausgang der Referenzspannungseinheit immer ein definiertes, vorgegebenes oder vorbestimmtes Referenzpotenzial anliegt, welches zwar optional mehrere verschiedene Niveaus haben kann, jedoch für die Erzeugung des Fehlersignals innerhalb der Überwachungsschaltung nutzbar ist. Dabei ist der Wert des Potenzials am Ausgang der Referenzspannungseinheit, falls keine der benachbarten Überwachungsschaltungen, von dem das Potenzial abhängt, ein Fehlersignal produziert, so vorgegeben oder vorbestimmt, dass das Ausgangspotenzial als Bezugspotenzial für die Erzeugung des Fehlersignals durch die Überwachungsschaltung nutzbar ist. Insbesondere kann dieses Bezugspotenzial von der Einheit oder Gruppe von Einheiten zur Erzeugung des Fehlersignals genutzt werden. Z. B. kann das Bezugspotenzial ein Eingangssignal des Komparators sein. Das andere Eingangssignal des Komparators kann in diesem Fall insbesondere die Ausgangsspannung bzw. das Ausgangspotenzial des oben erwähnten Spannungsteilers sein. Als Referenzspannungseinheit kommen insbesondere eine Zenerdiode, eine andere Kombination von Halbleiterbauteilen und/oder eine integrierte Schaltung infrage. Elektrische Bauteile mit der Eigenschaft, bei Anliegen eines bestimmten, vorgegebenen oder vorbestimmten Bezugspotenzials am Eingang der Einheit ein entsprechendes vorgegebenes oder vorbestimmtes Ausgangspotenzial am Ausgang der Einheit zu produzieren, sind im Handel erhältlich und werden hier nicht näher beschrieben.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer einzelnen Überwachungsschaltung zur Überwachung einer Energiespeichereinheit, insbesondere ein Verfahren, mit dem die oben beschriebene Überwachungsschaltung in einer ihrer Ausgestaltungen betrieben wird.
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Bezüglich des Verfahrens zum Überwachen eines Energiespeichers mit elektrisch in Reihe geschalteten Speichereinheiten wird insbesondere Folgendes vorgeschlagen: Jede der Speichereinheiten wird unter Verwendung einer zugeordneten Überwachungsschaltung auf Überspannung überwacht. Unter Überspannung wird insbesondere ein vorgegebener oder vorbestimmter (insbesondere durch die elektrischen Eigenschaften der Überwachungsschaltung vorgegebener) Spannungswert verstanden, der auch als Schwellwert oder Grenzwert bezeichnet werden kann und der überschritten wird, wenn an den entgegengesetzten Anschlüssen der zu überwachenden Energiespeichereinheit eine entsprechend hohe Spannung abfällt. Beginnend mit einer der Überwachungsschaltungen, nämlich eine Überwachungsschaltung, die eine Überspannung der von ihr überwachten Speichereinheit feststellt,
- a) wird ein Fehlersignal an eine benachbarte Überwachungsschaltung ausgegeben, die eine zugeordnete in der Reihenfolge der Reihenschaltung benachbarte Speichereinheit überwacht,
- b) löst das von der benachbarten Überwachungsschaltung empfangene Fehlersignal in der benachbarten Überwachungsschaltung ein Fehlersignal aus,
- c) werden die Schritte a) und b) so lange wiederholt, bis in einer am Ende der Reihenfolge der Reihenschaltung angeordneten letzten Überwachungsschaltung, die die in der Reihenfolge der Reihenschaltung letzte Speichereinheit überwacht, ein Fehlersignal ausgelöst wird,
- d) wird das von der letzten Überwachungsschaltung erzeugte Fehlersignal als Fehlersignal für das Vorliegen eines Fehlers des Energiespeichers ausgegeben.
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Bei dem Fehlersignal handelt es sich um das Signal, das anzeigt, dass eine Überspannung von der Überwachungsschaltung festgestellt wurde oder ein Fehlersignal von der Überwachungsschaltung von einer benachbarten Überwachungsschaltung empfangen wurde.
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Vorzugsweise wird die Funktionsfähigkeit der Überwachungsschaltungen überprüft, indem eine am Anfang der Reihenfolge der Reihenschaltung angeordneten ersten Überwachungsschaltung (d. h. der Überwachungsschaltung, die die erste Speichereinheit in der Reihenfolge der Reihenschaltung der Speichereinheiten überwacht) ein Prüfsignal zugeführt wird, das in der ersten Überwachungsschaltung ein Fehlersignal auslöst, so dass die Schritte a) bis d) der oben genannten Aufzählung ausgeführt werden, wobei jedoch das von der letzten Überwachungsschaltung erzeugte Fehlersignal als Signal einer erfolgreichen Überprüfung der Funktionsfähigkeit interpretiert wird.
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Ferner wird Folgendes vorgeschlagen: Überwachungsanordnung zum Überwachen eines Energiespeichers, der eine Mehrzahl von Speichereinheiten aufweist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei
- • die Überwachungsanordnung eine Mehrzahl von Überwachungsschaltungen aufweist, die jeweils eine der Mehrzahl von Speichereinheiten auf Überspannung überwacht,
- • jede der Überwachungsschaltungen einen Fehlersignalausgang aufweist,
- • jede der Überwachungsschaltungen, mit Ausnahme der ersten Überwachungsschaltung, die die in der Reihenfolge der Reihenschaltung erste Speichereinheit überwacht, einen Signaleingang aufweist, der mit dem Fehlersignalausgang der in der Reihenfolge der Reihenschaltung vorangehenden Überwachungsschaltung verbunden ist,
- • jede der Überwachungsschaltungen ausgestaltet ist, bei einer Überspannung der von ihr überwachten zugeordneten Speichereinheit und/oder bei Empfang eines Fehlersignals an dem Signaleingang ein Fehlersignal zu erzeugen, das über den Fehlersignalausgang ausgegeben wird.
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Vorzugsweise weist auch die erste Überwachungsschaltung, die die in der Reihenfolge der Reihenschaltung erste Speichereinheit überwacht, einen Signaleingang auf, über den ein Testsignal zu der ersten Überwachungsschaltung zuführbar ist, so dass bei einwandfreier Funktionsfähigkeit der Überwachungsanordnung am Fehlersignalausgang der in der Reihenfolge der Reihenschaltung letzten Überwachungsschaltung ein Fehlersignal anliegt, das die einwandfreie Funktionsfähigkeit bestätigt.
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Vorzugsweise weist zumindest eine der Überwachungsschaltungen eine Referenzspannungsquelle und einen Komparator auf, der mit einem Ausgangspotenzial der Referenzspannungsquelle und einem Überwachungspotenzial verbunden ist, das von der zu überwachenden Spannung der zugeordneten Speichereinheit abhängt, wobei ein Ausgang des Komparators mit dem Fehlersignalausgang verbunden ist. Bei der Referenzspannungsquelle handelt es sich insbesondere um die oben erwähnte Referenzspannungseinheit. Bei dem Komparator handelt es sich vorzugsweise um einen Komparator mit den oben beschriebenen Eigenschaften und Eingängen bzw. Ausgängen. Auch wurde oben bereits an Beispielen beschrieben, wie der Komparator mit anderen Elementen der Überwachungsschaltung verbunden sein kann. Wenn hier der Begriff Referenzspannungsquelle verwendet wird, schließt dies grundsätzlich die Möglichkeit mit ein, dass die Quelle (wie z. B. eine Batterie) elektrische Energie erzeugt. Vorzugsweise handelt es sich bei der Referenzspannungsquelle jedoch um eine Referenzspannungseinheit, die selbst keine elektrische Energie erzeugt. Aber auch die oben bereits näher beschriebene Referenzspannungseinheit kann durch eine Referenzspannungsquelle ersetzt werden, die in der Lage ist, elektrische Energie zu erzeugen.
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Ferner wird es bevorzugt, dass der Komparator zum Zweck seiner Energieversorgung mit Anschlüssen verbunden ist, zwischen denen eine elektrische Spannung anliegt. Diese Spannung wird abgeleitet aus der Spannung der zu überwachenden Speichereinheit, d. h. entweder ist diese Spannung die Spannung der zu überwachenden Speichereinheit oder sie ist von ihr gebildet, z. B. durch einen Spannungsteiler. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass die Speichereinheit auf Überspannung zu überwachen ist und daher in dem zu überwachenden Fall immer eine Spannung zur Versorgung des Komparators zur Verfügung steht. Würde anstelle des Komparators eine andere Einheit oder Gruppe von Einheiten verwendet, die dazu dient, das Fehlersignal zu erzeugen, gilt diese Art der Spannungsversorgung vorzugsweise auch dafür entsprechend.
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Vorzugsweise ist der Komparator oder die andere Art der Bauteile zur Signalerzeugung als Verstärker ausgestaltet, der bei Bestehen einer Überspannung der zugeordneten Speichereinheit die entsprechende zwischen dem Ausgangspotenzial der Referenzspannungsquelle und dem Überwachungspotenzial bestehende Spannung verstärkt und die verstärkte Spannung oder ein entsprechendes elektrisches Potenzial als Fehlersignal über den Ausgang ausgibt. Die Verstärkung hat den Vorteil, dass ein eindeutiges Signal als Fehlersignal erzeugt wird. Durch andere Einflüsse erzeugte Schwankungen oder Dämpfungen der Spannung bzw. des elektrischen Potenzials am Eingang des Verstärkers werden durch Verstärkung ausgeglichen so dass das Signal am Eingang in einem gewissen Bereich schwanken darf, ohne dass die Qualität des Ausgangssignals darunter leidet. Insbesondere erfährt das Signal in jeder der in Reihe geschalteten Überwachungsschaltung eine Auffrischung. Durch dieses Auffrischen wird verhindert, dass das Fehlersignal, das von einer Stufe zur nächsten weitergeleitet wird, sich nicht soweit abschwächt, dass die Weiterschaltung ab einem bestimmten unteren Signalpegel nicht mehr funktioniert. Die Dämpfung des Signals von einem Ausgang einer Überwachungsstufe bis zum Eingang der nächsten in Reihe liegenden Überwachungsstufe ist jedoch so gering, dass eine eindeutige Erkennung immer möglich ist, in dieser Weise kann die Überwachungsschaltung ausgelegt werden.
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Insbesondere kann ein Eingangspotenzial der Referenzspannungsquelle, das als Bezugspotenzial für die von der Referenzspannungsquelle erzeugte Referenzspannung dient, ein Potenzial sein, das eindeutig durch ein an einem Anschluss der zu überwachenden Speichereinheit anliegendes Potenzial bestimmt ist. Auf Alternativen, nämlich die Definition des Eingangspotenzials der Referenzspannungsquelle durch einen Zustand einer benachbarten Überwachungsschaltung, wurde bereits eingegangen.
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Das Überwachungspotenzial am Eingang des Komparators kann insbesondere durch einen Spannungsteiler gebildet sein, der mit seinen einander gegenüberliegenden Anschlüssen mit den Anschlüssen der zugeordneten Speichereinheit verbunden ist, so dass er der Speichereinheit parallel geschaltet ist.
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Zum Umfang der Erfindung gehört auch die erfindungsgemäße Überwachungsschaltung in einer ihrer hier beschriebenen Ausgestaltungen in Kombination mit dem Energiespeicher, d. h. die Überwachungsschaltung und der überwachte Energiespeicher sind Gegenstand der Erfindung.
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Das Verfahren zum Prüfen der Funktionsfähigkeit der Überwachungsschaltung wird vorzugsweise wiederholt während des Betriebes des Energiespeichers und/oder in Phasen, in denen der Energiespeicher nicht genutzt wird, ausgeführt. Dazu sollte der Energiespeicher allerdings geladen sein, da die Überwachungsschaltungen in der bevorzugten Ausgestaltung ihre Energieversorgung aus dem Speicher selbst beziehen.
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Der Signalausgang der letzten Überwachungsschaltung in der Reihenfolge ist vorzugsweise galvanisch von Anschlüssen entkoppelt, an denen eine externe Einrichtung angeschlossen ist, um das Fehlersignal zu detektieren bzw. zu erkennen. Im Fall des Funktionstests ist vorzugsweise auch der Signaleingang der in der Reihenfolge der Überwachungsschaltungen ersten Überwachungsschaltung galvanisch gegen Anschlüsse entkoppelt, über die das Testsignal zum Testen der Funktionsfähigkeit der Anordnung eingegeben bzw. ausgelöst wird. Zur galvanischen Entkopplung eignen sich in beiden Fällen z. B. Relais. Das Relais kann selbst die Potenzialtrennung bewirken. Alternativ oder zusätzlich wird z. B. mittels eines Trenntransformators und Brückengleichrichters die benötigte Energie für das Relais übertragen. Es sind selbstverständlich auch noch andere Ausgestaltungen möglich.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass aufgrund der Kaskadierung der einzelnen Überwachungsschaltungen zu einer Überwachungsanordnung, in der sich ein Fehlersignal innerhalb der Kaskade bis zu einem Ausgang der Anordnung fortpflanzt, jede Überwachungsschaltung ohne direkte Verbindung zu einem gemeinsamen Bezugspotenzial aller Überwachungsschaltungen (z. B. Speichermasse) betrieben werden kann. Insbesondere kann jede Überwachungsschaltung auf dem Potenzialniveau der zu überwachenden Speichereinheit betrieben werden. Auch die Versorgung aktiver Bauelemente der Überwachungsschaltung ist außerdem durch die Spannung der zu überwachenden Speichereinheit auf diesem Potenzialniveau möglich. Lediglich über die Signalausgänge und Signaleingänge benachbarter Überwachungsschaltungen sind diese verbunden. Da die Potenzialdifferenzen zwischen den benachbarten Überwachungsschaltungen aber nicht sehr groß sind, führt dies nicht wie bei einem gemeinsamen Bezugspotenzial aller Überwachungsschaltungen zu den am Anfang beschriebenen Problemen. Ferner kann die Anordnung durch einen einzigen zusätzlichen Signaleingang an der ersten Überwachungsschaltung in der Reihenfolge getestet werden. Dabei wird dieselbe Signalkette innerhalb der Kaskade, die die von den Überwachungsschaltungen erzeugten Fehlersignale nutzt, verwendet, die auch für die Ausgabe eines Überspannungs-Fehlersignals aus der Anordnung zu externen Einrichtungen genutzt wird. Da bei Eingabe eines Testsignals außerdem die gesamte Kette der in Reihe miteinander verbundenen Überwachungsschaltungen genutzt wird, wird bei dem Test auch die Funktion sämtlicher Überwachungsschaltungen überprüft. Lediglich das Ansprechen der einzelnen Überwachungsschaltungen auf eine Überspannung der jeweils zugeordneten zu überwachenden Speichereinheit wird durch den Funktionstest nicht überprüft. Bei Verwendung passiver Bauteile, mit Ausnahme des Bauteils zur Erzeugung des Fehlersignals, ist es aber unwahrscheinlich, dass sich ein Arbeitspunkt (z. B. die für das Auslösen des Fehlersignals gewählte Schwelle der Überspannung) wesentlich ändert. Im Übrigen wird auch der Einfluss der passiven Bauteile auf die aktive Komponente (z. B. den Komparator) bei der Fortpflanzung der Fehlersignale innerhalb der Kaskade mitgeprüft. Würde ein Widerstand z. B. des Spannungsteilers an der Eingangsseite des Komparators wesentlich verändert sein, wäre auch die Weiterleitung des Fehlersignals innerhalb der Kaskade betroffen oder würde permanent ein Fehlersignal am Ausgang der Kaskade vorliegen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Überwachungsschaltung zur Überwachung einer einzelnen Speichereinheit,
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Überwachungsschaltung, ähnlich der Überwachungsschaltung in 1, wobei jedoch die Anordnung der Referenzspannungseinheit verändert ist,
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3 ein Beispiel für eine Überwachungsanordnung mit einer Reihenschaltung der Überwachungsschaltung vom Typ, der in 1 dargestellt ist, wobei außerdem der Energiespeicher mit der Reihenschaltung der Speichereinheiten dargestellt ist,
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4 eine Anordnung ähnlich der in 3, wobei jedoch die Signalausgänge und Signaleingänge der einander benachbarten Überwachungsschaltungen derart geändert sind, dass sich die Fehlersignale nicht wie in 3 dargestellt von unten nach oben, sondern von oben nach unten durch die Kaskade fortpflanzen,
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5 ein weiteres Beispiel für eine Überwachungsschaltung ähnlich der in 1, wobei der eingangsseitige Anschluss der Referenzspannungseinheit den Eingangssignaleingang für den Empfang des Fehlersignals von der benachbarten Überwachungsschaltung bildet, und
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6 eine Überwachungsschaltung wie in 2, wobei jedoch der ausgangsseitige Anschluss der Referenzspannungseinheit den Signaleingang zum Empfang des Fehlersignals von der benachbarten Überwachungsschaltung bildet.
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1 zeigt eine Überwachungsschaltung 2 zur Überwachung einer Speichereinheit eines Energiespeichers, wobei die Speichereinheit eine Reihenschaltung von Kondensatoren 3a, 3b aufweist. Die einander gegenüberliegenden Anschlüsse der Reihenschaltung der Kondensatoren 3a, 3b sind über Anschlüsse 1a, 1b an die Überwachungsschaltung 2 angeschlossen. Der Anschluss 1a ist über einen ersten Widerstand 7 und eine Referenzspannungseinheit 5 mit dem Anschluss 1b verbunden. Der erste Widerstand 7 und die Referenzspannungseinheit 5 sind daher in Reihe geschaltet. Ein Verbindungspunkt zwischen dem ersten Widerstand 7 und der Referenzspannungseinheit 5 ist mit einem ersten Eingang, der mit ”–” bezeichnet ist, eines Komparators 10 verbunden. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Komparator um einen Operationsverstärker. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich ferner bei der Referenzspannungseinheit 5 um eine Zenerdiode. Dabei ist die Zenerdiode so gepolt, dass die Diodendurchflussrichtung von dem auf niedrigerem Potenzial gelegenen Anschluss 1b über den ersten Widerstand 7 zu dem auf höherem elektrischem Potenzial gelegenen Anschluss 1a führt. Daher fließt permanent ein Strom entgegen der Diodendurchflussrichtung durch die Zenerdiode und führt zu einem konstanten Spannungsabfall über die Zenerdiode. Daher befindet sich der Verbindungspunkt zwischen dem ersten Widerstand 7 und der Referenzspannungseinheit 5 immer auf demselben elektrischen Potenzial, solange der Strom durch die Zenerdiode bzw. die Einheit 5 fließt und solange sich das elektrische Potenzial an dem Anschluss 1b nicht ändert. Allgemeiner ausgedrückt fällt immer dieselbe Spannung über die Referenzspannungseinheit 5 ab, solange der Strom durch die Zenerdiode entgegen der Durchflussrichtung fließt. Daher ist der erste Anschluss des Komparators 10 auf einem konstanten, fest vorgegebenen bzw. vorbestimmten elektrischen Potenzial bzw. relativ zu dem Potenzial am Anschluss 1b auf einem fest vorgegebenen höheren Potenzialniveau.
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Parallel zu der Reihenschaltung des ersten Widerstandes 7 und der Referenzspannungseinheit 5 ist ein Spannungsteiler zwischen die Anschlüsse 1a, 1b geschaltet, der in dem Ausführungsbeispiel aus zwei Widerständen besteht, dem zweiten Widerstand 8 und dem dritten Widerstand 9. Ein Punkt zwischen dem zweiten und dritten Widerstand 8, 9 ist mit dem zweiten Eingang des Komparators 10 verbunden, der mit ”+” bezeichnet ist. Dieser Punkt zwischen den Widerständen 8, 9 und damit auch der zweite Anschluss des Komparators 10 ist mit dem Signaleingang 11a der Überwachungsschaltung 2 verbunden. Ferner ist der Signalausgang des Komparators 10 über einen vierten Widerstand 12 mit dem Signalausgang 11b der Überwachungsschaltung 2 verbunden.
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In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Polarität des Komparators so gewählt, dass der Ausgang des Komparators das obere Spannungsniveau annimmt (maximal das Spannungsniveau des Anschlusses 1a), wenn Spannung der zu überwachenden Speichereinheit einen Grenzwert überschreitet. Der Grenzwert bestimmt sich aus der konstanten Spannung, die über die Referenzspannungsquelle 5 abfällt, und aus der Dimensionierung der Widerstände 8, 9 des Spannungsteilers.
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Der Komparator 10 wird über Stromversorgungsanschlüsse mit Energie versorgt, wobei die Stromversorgungsanschlüsse den Komparator 10 mit den Anschlüssen 1a, 1b verbinden. Dies bedeutet, dass der Komparator 10 von der Spannung versorgt wird, die über die zu überwachende Speichereinheit abfällt. Der vierte Widerstand 12 ist ein Widerstand, der für die Kaskadierung, d. h. für die Reihenschaltung der Überwachungsschaltungen von dem in 1 dargestellten Typ, benötigt wird. Er wird daher auch als Kaskadierwiderstand bezeichnet. Auf die Funktion der Reihenschaltung der Überwachungsschaltungen wird noch anhand von 3 und 4 eingegangen. Der Signalausgang 11b kann auch als Kaskadierausgang bezeichnet werden. Ferner kann der Signaleingang 11a als Kaskadiereingang bezeichnet werden.
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Es sind zahlreiche Abwandlungen der in 1 dargestellten Überwachungsschaltung möglich, ohne die grundsätzliche Funktion der Überwachungsschaltung zu beeinträchtigen. Darauf wird noch näher eingegangen. Insbesondere kann auch bei der in 1 dargestellten Überwachungsschaltung die Zenerdiode durch eine andere Referenzspannungseinheit ersetzt werden und kann anstelle des Operationsverstärkers ein anderer Komparator oder eine Komparatorschaltung eingesetzt werden. Anstelle der Zenerdiode 5 kann z. B. eine integrierte Schaltung eingesetzt werden, die auf dem Markt handelsüblich erhältlich ist. Der erste Widerstand 7 wird vorzugsweise so gewählt, dass ein sehr kleiner Stromfluss von dem Anschluss 1a über den ersten Widerstand 7 und die Referenzspannungseinheit 5 zu dem zweiten Anschluss 1b fließt, um die Referenzspannung zu erzeugen, die über die Referenzspannungseinheit 5 abfällt. Auch die Widerstände 8, 9 des Spannungsteilers werden vorzugsweise so gewählt, dass nur ein kleiner Stromfluss von dem Anschluss 1a über den Spannungsteiler zu dem Anschluss 1b führt.
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Die Funktion der in 1 dargestellten Überwachungsschaltung 2 ist wie folgt: Liegt an dem Kaskadiereingang 11a kein Fehlersignal an und fällt über die Reihenschaltung der Kondensatoren 3a, 3b keine Überspannung ab, befindet sich das elektrische Potenzial am zweiten mit ”+” bezeichneten Eingang des Komparators 10 auf einem Niveau unterhalb des Niveaus des ersten Anschlusses des Komparators 10. Am Ausgang des Komparators 10 liegt daher ein elektrisches Potenzial an, das auf niedrigerem Spannungspegel liegt, etwa auf dem Niveau des Anschlusses 1b.
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Steigt die Spannung, die über die Reihenschaltung der Kondensatoren 3a, 3b abfällt, an, erhöht sich auch das Niveau des elektrischen Potenzials an dem zweiten Anschluss des Komparators 10. Wird dabei das Potenzial am zweiten Anschluss des Komparators 10 über das Niveau des Potenzials am ersten Anschluss des Komparators 10 angehoben, schaltet der Komparator 10 das elektrische Potenzial an seinem Signalausgang auf das höhere Spannungsniveau um bzw. verstärkt die nun positive Spannung zwischen dem zweiten und ersten Eingang des Komparators 10 um einen Verstärkungsfaktor, d. h. die entsprechend verstärkte Spannung liegt zwischen dem Signalausgang des Komparators und dem Niveau des Anschlusses 1b an.
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Besteht zwar keine Überspannung an den Kondensatoren 3a, 3b, empfängt aber die Überwachungsschaltung 2 an ihrem Kaskadiereingang 11a ein Fehlersignal, nämlich ein erhöhtes elektrisches Potenzial, führt dies ebenfalls dazu, dass das elektrische Potenzial an dem zweiten Eingang des Komparators 10 über dem elektrischen Potenzial an dem ersten Eingang des Komparators 10 liegt. Wiederum wird die Eingangsspannung verstärkt und das entsprechend höhere Potenzial über den Signalausgang des Komparators 10 ausgegeben.
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Bei Erhöhung des Potenzials an dem Signalausgang des Komparators 10 erhöht sich auch das elektrische Potenzial an dem Kaskadierausgang 11b.
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Die in 2 dargestellte Variante 22 der Überwachungsschaltung 2 aus 1 unterscheidet sich lediglich dadurch, dass die Referenzspannungseinheit 5 und der erste Widerstand 7 vertauscht sind. Ferner müssen die Widerstandswerte der Widerstände 8, 9 des Spannungsteilers und die über die Referenzspannungseinheit 5 abfallende Referenzspannung so gewählt sein, dass der Komparator 10 lediglich im Fall einer Überspannung und im Fall eines an seinem Kaskadiereingang 11a anliegenden Fehlersignal ein Fehlersignal an dem Kaskadierausgang 11b anliegt. Ansonsten unterscheidet sich die Überwachungsschaltung 22 nicht von der Überwachungsschaltung 2 gemäß 1. Daher sind auch dieselben Bezugszeichen für die gleichen oder einander entsprechenden Elemente verwendet. Dies gilt auch für die weiteren Figuren.
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3 zeigt eine Kaskade von Überwachungsschaltungen, die jeweils eine Speichereinheit auf Überspannung überwachen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Überwachungsschaltungen um den in 1 dargestellten Typ. Es könnte jedoch stattdessen auch der in 2 dargestellte Typ in der Kaskade verwendet werden, ohne die Anordnung bezüglich ihrer Verbindungen zwischen den Überwachungsschaltungen zu ändern. Denkbar ist auch eine Kaskade, bei der einzelne Überwachungsschaltungen vom Typ gemäß 1 und andere Überwachungsschaltungen vom Typ gemäß 2 sind. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass ein Fehlersignal einer in der Reihenfolge der Überwachungsschaltungen vorangehenden Überwachungsschaltung ein Fehlersignal der nachfolgenden Überwachungsschaltung in der Kaskade auslöst. Insbesondere sind die Widerstandswerte der Spannungsteiler und/oder die über die Referenzspannungseinheiten abfallenden Spannungen in den Überwachungsschaltungen entsprechend zu wählen.
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3 zeigt lediglich drei der Überwachungsschaltungen der Kaskade und die jeweils von der Überwachungsschaltung auf Überspannung überwachte Speichereinheit. Die erste Überwachungsschaltung 2a ist oben in 3 dargestellt. Ihr Kaskadiereingang 11a hat die Funktion eines Signaleinganges für ein Testsignal. Das Testsignal wird in dem in 3 dargestellten Beispiel durch Schließen eines Schalters 39 eines Relais 42 bewirkt. Dabei ist die Spule 38 des Relais 42 galvanisch von dem Schalter 39 getrennt. Wird die Spule 38 über die Anschlusskontakte 37a, 37b mit Strom versorgt, so dass ein Magnetfeld der Spule 38 das Schließen des Schalters 39 bewirkt, wird der erste Überwachungsanschluss 1a mit dem Kaskadiereingang 11a der Überwachungsschaltung 2a kurzgeschlossen. Dies löst das Umschalten des Signalpegels am Ausgang des Komparators 10 der Überwachungsschaltung 2a von niedrigem Potenzialpegel auf hohen Potenzialpegel aus, da durch das Kurzschließen die gesamte über die von der Überwachungsschaltung 2a überwachte Speichereinheit abfallende Spannung nun an dem zweiten Widerstand 9 des Spannungsteilers abfällt und daher der zweite Eingang des Komparators 10 auf höherem Potenzial liegt als der erste Eingang. Der dem Schalter 39 parallel geschaltete Widerstand 40 dient dazu, den Arbeitspunkt am Eingang des Komparators 10 der ersten Überwachungsschaltung 2a in gleicher Weise einzustellen wie die Arbeitspunkte an den Eingängen der anderen Überwachungsschaltungen 2, 2b.
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Bevor jedoch der Test auf Funktionsfähigkeit näher beschrieben wird, wird noch der weitere Aufbau der Überwachungsanordnung und des Speichers beschrieben. Die von der ersten Überwachungsschaltung 2a überwachte Speichereinheit weist in dem Ausführungsbeispiel wiederum zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren 13a, 13b auf. Es könnte sich jedoch auch um Batteriezellen oder andere Speicherzellen handeln. Auch könnte die Zahl der Zellen, die miteinander in Reihe geschaltet sind und die Speichereinheit bilden, anders sein. Über die Überwachungsanschlüsse 1a, 1b ist die Überwachungsschaltung 2a mit den gegenpoligen Seiten der Reihenschaltung der Kondensatoren 13a, 13b verbunden. Da es sich bei der Überwachungsschaltung 2a um die erste Überwachungsschaltung in der Reihe der Überwachungsschaltungen, d. h. in der Kaskade, handelt, ist auch die überwachte Speichereinheit mit den Kondensatoren 13a, 13b die erste Speichereinheit in der Reihenfolge der in Reihe geschalteten Speichereinheiten des Speichers. Der Speicher hat die elektrischen Anschlüsse 35a auf hohem Potenzial und 35b auf niedrigem Potenzial. Beim Betrieb des Speichers kann z. B. eine Spannung von typischerweise ca. 1.000 Volt über die Anschlüsse 35a, 35b abfallen.
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Die nächste Überwachungsschaltung 2 in der Reihenfolge der Überwachungsschaltungen der Anordnung ist mit ihrem Kaskadiereingang 11a an den Kaskadierausgang 11b der ersten Überwachungsschaltung 2a angeschlossen. Diese zweite Überwachungsschaltung 2 ist mit ihren Überwachungsanschlüssen 1a, 1b an die zweite Speichereinheit mit den in Reihe geschalteten Kondensatoren 3a, 3b angeschlossen. Diese Reihenschaltung der Kondensatoren 3a, 3b ist in Reihe zu der Speichereinheit mit den Kondensatoren 13a, 13b geschaltet.
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Die dritte Überwachungsschaltung sowie die dritte Speichereinheit, die in der Reihenfolge der Überwachungsschaltung bzw. Speichereinheit auf die zweite Überwachungsschaltung bzw. zweite Speichereinheit folgen, sowie alle weiteren in der Reihenfolge folgenden Überwachungsschaltung bzw. Speichereinheiten sind in 3 nicht explizit dargestellt, mit Ausnahme der letzten Überwachungsschaltung 2b und der von ihr überwachten Speichereinheit mit der Reihenschaltung der Kondensatoren 23a, 23b. Die nicht im Detail dargestellten Überwachungsschaltungen und Speichereinheiten sind lediglich durch unterbrochene Linien, die in 3 in vertikaler Richtung verlaufen, angedeutet. Z. B. sind 50 oder 100 Überwachungsschaltungen und Speichereinheiten in Reihe geschaltet. Denkbar ist im Unterschied zu 3, dass die Speichereinheiten eine unterschiedliche Zahl von Speicherzellen haben.
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Die letzte Überwachungsschaltung 2b ist mit ihrem Kaskadiereingang 11a an die nicht im Detail dargestellte vorletzte Überwachungsschaltung angeschlossen, nämlich an deren Kaskadierausgang 11b. Mit ihrem Kaskadierausgang 11b ist die letzte Überwachungsschaltung 2b an eine Spule 32 eines weiteren Relais 43 angeschlossen. Der andere Anschluss der Spule 32 ist mit dem zweiten Überwachungsanschluss 1b der letzten Überwachungsschaltung 2b kurzgeschlossen. Das Relais 43 weist ferner einen Schalter 33 auf, der bei Bestromung der Spule 32 des Relais 43 geschlossen ist und ansonsten geöffnet ist. Im geschlossenen Zustand wird dies über die Anschlusskontakte 34a, 34b des Schalters 33 detektiert, z. B. indem über die Anschlusskontakte 34a, 34b eine Spannung abfällt, die bei geschlossenem Schalter 33 zu einem Stromfluss führt. Auf diese Weise kann das durch die Kaskade der Überwachungsschaltungen fortgepflanzte Testsignal erkannt werden. Anders ausgedrückt bedeutet das Schließen des Schalters 33, dass der Funktionstest der Überwachungsanordnung erfolgreich war.
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Wie bereits beschrieben, wird der Funktionstest durch Bestromung der Spule 38 des ersten Relais 42 erreicht. Es wird der Schalter 39 geschlossen und wie beschrieben liegt als Folge davon am Ausgang des Komparators 10 der ersten Überwachungsschaltung 2a der hohe Signalpegel an. Dieser hohe Signalpegel ist aufgrund der Tatsache, dass der Komparator 10 über die Überwachungsanschlüsse 1a, 1b mit seiner Betriebsspannung versorgt wird, ungefähr auf dem gleichen Potenzialniveau wie der erste Überwachungsanschluss 1a der ersten Überwachungsschaltung 2a, d. h. auf dem Potenzialniveau des Anschlusses 35a des Speichers.
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Aufgrund der Verbindung der ersten Überwachungsschaltung 2a über deren Kaskadierausgang 11b mit dem Kaskadiereingang 11a der zweiten Überwachungsschaltung 2 liegt nun am zweiten, mit ”+” bezeichneten Eingang des Komparators 10 der zweiten Überwachungsschaltung 2 ein höherer Spannungspegel an als bei niedrigem Signalausgangspegel des Komparators 10 der ersten Überwachungsschaltung 2a. Dabei ist der Kaskadierwiderstand 12 der ersten Überwachungsschaltung 2a so gewählt, dass das Eingangspotenzial am zweiten Signaleingang der zweiten Überwachungsschaltung 2 über dem Potenzial am ersten, mit ”–” bezeichneten Signaleingang des Komparators 10 der zweiten Überwachungsschaltung 2 liegt. Der Komparator 10 der zweiten Überwachungsschaltung 2 verstärkt diese positive Spannung an seinen Signaleingängen, so dass an seinem Ausgang wiederum, wie bei der ersten Überwachungsschaltung 2a, ein Potenzial auf hohem Signalpegel, etwa auf dem Niveau seines ersten Überwachungsanschlusses 1a, anliegt.
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In gleicher Weise wie für die Kombination der ersten Überwachungsschaltung 2a und der zweiten Überwachungsschaltung 2 pflanzt sich nun dieses Test-Fehlersignal (nämlich das Ausgangssignal des Komparators 10 auf hohem Spannungspegel) zu der dritten Überwachungsschaltung fort usw.
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Im Ergebnis wird durch die Fortpflanzung des Test-Fehlersignals von der vorletzten, in 3 nicht im Detail dargestellten Überwachungsschaltung ein hoher Spannungspegel über den Kaskadiereingang 11a auf den zweiten Signaleingang des Komparators 10 der letzten Überwachungsschaltung 2b angelegt. Daher erzeugt auch dieser Komparator 10 ein Ausgangssignal auf hohem Spannungspegel. Über seinen Kaskadierwiderstand 12 fällt daher gegen seinen zweiten Überwachungsanschluss 1b eine Spannung ab, so dass die Spule 32 des Relais 43 bestromt wird und den Schalter 33 wie beschrieben schließt. Funktionieren alle Überwachungsschaltungen insoweit einwandfrei, dass sie den hohen Spannungspegel am Ausgang des Komparators 10 erzeugen, läuft der Funktionstest erfolgreich ab. Ist jedoch z. B. ein einziger der Komparatoren 10 defekt und liefert nicht das Ausgangssignal auf dem hohen Spannungspegel oder ist z. B. ein elektrischer Kontakt zwischen zwei benachbarten Überwachungsschaltungen nicht oder nur über einen erhöhten Widerstand hergestellt, durchläuft das Test-Fehlersignal nicht die gesamte Kaskade der Überwachungsschaltungen und erzeugt daher zumindest der Komparator 10 der letzten Überwachungsschaltung 2b nicht das Ausgangssignal auf hohem Signalpegel. Daher wird die Spule 32 des Relais 43 nicht oder nicht ausreichend bestromt, so dass der Schalter 33 nicht geschlossen wird.
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Eine Überwachungsanordnung wie in 3 dargestellt könnte auch ohne die Relais 42, 43 und ohne einen anderen Anschluss zum Test der Funktionsfähigkeit realisiert werden. In diesem Fall könnte kein Funktionstest ausgeführt werden. Solange die Anordnung aber einwandfrei funktioniert, könnten die Überwachungsschaltungen zumindest ihre Überwachung der zugeordneten Speichereinheit auf Überspannung ausführen. Z. B. könnte die Spannung über die Reihenschaltung der Kondensatoren 3a, 3b wie bereits anhand von 1 beschrieben erhöht sein, so dass der Komparator 10 der Überwachungsschaltung 2 an seinem Ausgang ein Potenzial auf hohem Signalpegel erzeugt. Dieses Fehlersignal würde sich in entsprechender Weise wie für den Funktionstest bereits beschrieben durch die Kaskade fortpflanzen und es würde an dem Signalausgang des Komparators 10 der letzten Überwachungsschaltung 2b wiederum ein Potenzial auf hohem Signalpegel anliegen. Dieses Ausgangssignal würde als Fehlersignal zum Anzeigen eines Fehlers des überwachten Speichers interpretiert.
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Dieses Fehlersignal könnte wiederum mit dem Relais 43 detektiert werden. In diesem Fall, falls die Anordnung keinen Funktionstest erlauben soll, wäre also lediglich das Relais 42 weggelassen, nicht aber das Relais 43. Eine Potenzialtrennung (d. h. galvanische Trennung) am Ausgang der letzten Überwachungsschaltung gegen die Auswertungseinrichtung, wie sie in dem Beispiel von 3 durch das Relais 43 realisiert ist, ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da sich das Potenzial des Ausgangssignals der letzten Überwachungsschaltung 2b gemessen an der über den gesamten Speicher abfallenden Spannung auf sehr geringem Potenzialniveau befindet und der Überwachungsanschluss 1b der letzten Überwachungsschaltung 2b z. B. geerdet sein kann. Eine derartige galvanische Trennung wird jedoch dennoch bevorzugt, da auf diese Weise gewährleistet sein kann, dass die Auswertungseinrichtung, die z. B. elektronische Bauteile aufweist, von dem Speicher getrennt ist, der mit sehr starken Ladeströmen geladen werden kann und entsprechend starken Entladeströmen entladen werden kann.
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Wie 4 zeigt, kann die Fortpflanzung des Fehlersignals auch in der umgekehrten Reihenfolge der Überwachungsschaltungen durch die Kaskade stattfinden. ”Umgekehrt” bezieht sich hier auf die Reihenschaltung der zu überwachenden Speichereinheiten, die gleich der Reihenschaltung in 3 ist. Dagegen sind die Überwachungsschaltungen zwar vom gleichen Typ wie in 3. Ihre Verschaltung miteinander ist jedoch anders. Der Signalausgang des Komparators 10 ist über den Kaskadierwiderstand 12 nicht mit dem Kaskadiereingang der benachbarten Überwachungsschaltung verbunden, die die Speichereinheit auf dem nächst niedrigeren Potenzialniveau überwacht, sondern mit dem Kaskadiereingang 11b der Überwachungsschaltung verbunden, die die Speichereinheit auf dem nächst höheren Potenzialniveau des Speichers überwacht. Dabei sind die über die Referenzspannungseinheit 5 bereitgestellte Referenzspannung, die Widerstände des Spannungsteilers und der Kaskadierwiderstand 12 so aufeinander abgestimmt, dass ein Signal auf hohem Signalpegel am Signalausgang der in der Reihenfolge der Überwachungsschaltung vorangehenden Überwachungsschaltung ebenfalls einen hohen Signalpegel am Signalausgang der folgenden Überwachungsschaltung auslöst.
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Im Übrigen unterscheidet sich die Anordnung in 4 lediglich dadurch, dass in den Relais die Spulen und Schalter vertauscht sind sowie die Anschlüsse der Relais an die erste 2a und letzte 2b Überwachungsschaltung verändert sind. Zum Zuführen des Testsignals zu der ersten Überwachungsschaltung 2b, die im Fall der 4 die Speichereinheit mit den in Reihe geschalteten Kondensatoren 23a, 23b überwacht, wird das Relais 53 genutzt. Die Anschlüsse 34a, 34b dienen zum Zuführen des Testsignals durch Bestromung der Spule 32 des Relais 53. Bei Bestromung der Spule 32 wird der Schalter 33 geöffnet. Da die Anschlüsse des Schalters 33 mit dem zweiten Überwachungsanschluss 1b und dem Kaskadiereingang 11a der ersten Überwachungsschaltung 2b verbunden sind, wird durch Öffnen des Schalters 33 das elektrische Potenzial an dem Plus-Eingang des Komparators 10 erhöht, da der Mittelabgriff des Spannungsteilers 2b nun weniger nach Minus gezogen wird. Dies löst das Ausgangssignal auf hohem Signalpegel aus, das sich durch die Kaskade fortpflanzt. Allerdings wird das elektrische Potenzial an dem zweiten Überwachungsanschluss 1b nicht unverändert auf den zweiten Eingang des Komparators 10 geführt, da in Reihe zu dem Schalter 33 ein Widerstand 41 geschaltet ist. Dies dient dazu, den Arbeitspunkt am Plus-Eingang des Komparators 10 der ersten Überwachungsschaltung 2a bei geschlossenem Schalter 33 in gleicher Weise einzustellen wie die Arbeitspunkte an den Eingängen der anderen Überwachungsschaltungen 2, 2b.
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Am Kaskadierausgang 11b der letzten Überwachungsschaltung 2a liegt bei Fortpflanzung des Test-Fehlersignals oder des Fehlersignals aufgrund einer Überspannung einer der Speichereinheiten ein Potenzial auf dem hohen Signalpegel an. Der Kaskadierausgang 11b der letzten Überwachungseinrichtung 2a ist mit der Spule 38 des Relais 52 verbunden. Der andere Anschluss der Spule 38 ist mit dem zweiten Überwachungsanschluss 1b der letzten Überwachungsschaltung 2b verbunden. Bei hohem Signalpegel am Ausgang des Komparators 10 der letzten Überwachungsschaltung 2a fließt daher ein Strom durch die Spule 38 des Relais 52, der zum Schließen des Schalters 39 führt, so dass an den Anschlüssen 37a, 37b am Relaisausgang 52 dieser Zustand detektiert werden kann.
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Die Ausführungsbeispiele der 3 und 4 zeigen das Prinzip, wonach sich je nach Ausgestaltung der Kaskade der Überwachungsschaltungen das Fehlersignal von niedrigerem zu höherem Potenzial fortgepflanzt werden kann oder umgekehrt. Anders ausgedrückt kann die Reihenfolge der Überwachungsschaltungen so gewählt werden, dass die erste Überwachungsschaltung auf dem höchsten Potenzialniveau des Speichers liegt, d. h. auf dem Potenzialniveau der Speichereinheit mit dem höchsten Potenzial, oder auf dem Potenzialniveau der Speichereinheit mit dem niedrigsten Potenzial des Speichers liegt.
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An den in 3 und 4 dargestellten Überwachungsanordnungen können jedoch noch weitere Modifikationen vorgenommen werden. Insbesondere können andere Typen von Überwachungsschaltungen eingesetzt werden. Auf solche weiteren Typen wird noch anhand der 5 und 6 eingegangen. Das Prinzip dieser anderen Typen von Überwachungsschaltungen unterscheidet sich von dem Prinzip der Überwachungsschaltungen von 1 und 2 dadurch, dass nicht ein Wechsel des Ausgangssignalpegels von niedrigerem Potenzialniveau auf hohes Potenzialniveau das Fehlersignal darstellt, sondern umgekehrt ein Wechsel von dem hohen Potenzialniveau auf das niedrige Potenzialniveau am Ausgang der Überwachungsschaltung das Fehlersignal bildet. In den Fällen der 5 und 6 wird dies dadurch erreicht, dass gegenüber 1 und 2 die Polarität des Komparators gewechselt wird und außerdem die Anschlüsse des Kaskadiereingangs an die ansonsten sehr ähnliche Schaltungsanordnung verändert sind.
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In 5 und 6 sind gleiche Typen von Schaltungselementen, die jedoch anders dimensioniert sein können, dennoch mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 und 2 bezeichnet. Die Überwachungsschaltung 42 in 5 weist wie die Überwachungsschaltung 2 in 1 einen Spannungsteiler mit den Widerständen 8, 9 auf, wobei die entgegengesetzten Anschlüsse des Spannungsteilers wiederum mit den Überwachungsanschlüssen 1a, 1b der Überwachungsschaltung 42 verbunden sind. Auch ist wiederum ein Punkt zwischen den Widerständen 8, 9 des Spannungsteilers mit dem zweiten Signaleingang des Komparators 100 verbunden. Der zweite Signaleingang ist jedoch bezüglich des ersten Signaleingangs des Komparators 100 anders gepolt. Daher ist der zweite Signaleingang in diesem Fall mit ”–” bezeichnet. Der erste Signaleingang ist mit ”+” bezeichnet.
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Parallel zu dem Spannungsteiler ist wiederum eine Reihenschaltung einer Referenzspannungseinheit 5 und eines ersten Widerstandes 7 geschaltet. Allerdings ist nur ein Anschluss dieser Reihenschaltung direkt mit einem Überwachungsanschluss der Überwachungsschaltung verbunden. Im Ausführungsbeispiel der 5 ist der Anschluss der Reihenschaltung mit dem ersten Überwachungsanschluss 1a auf dem höheren Potenzialniveau der beiden Überwachungsanschlüsse 1a, 1b verbunden. Dabei handelt es sich um den Anschluss der Reihenschaltung der Bauteile 5, 7, der an dem ersten Widerstand 7 liegt. Dagegen ist bei dem Ausführungsbeispiel der 6, bei der der erste Widerstand 7 und die Referenzspannungseinheit 5 vertauscht sind, der Anschluss der Reihenschaltung, der näher an dem ersten Widerstand 7 liegt, mit dem zweiten Überwachungsanschluss 1b verbunden, der auf niedrigerem Potenzialniveau der beiden Überwachungsanschlüsse 1a, 1b liegt. Der andere Anschluss der Reihenschaltung aus erstem Widerstand 7 und Referenzspannungseinheit 5 ist als Kaskadiereingang 11c (im Fall der 5) bzw. 11d (im Fall der 6) ausgeführt. Im Fall der 5 bedeutet dies, dass der Kaskadiereingang 11c mit dem Eingang der Referenzspannungseinheit 5 verbunden ist, der beim Betrieb der Überwachungsschaltung auf niedrigerem Potenzialniveau liegt. Im Fall der Überwachungsschaltung 52 gemäß 6 ist der Kaskadiereingang 11d mit dem Eingang der Referenzspannungseinheit 5 verbunden, der beim Betrieb der Anordnung auf dem höheren elektrischen Potenzial liegt.
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Die Funktion der Überwachungsschaltung gemäß 5 ist wie folgt: Der Kaskadiereingang 11c ist mit einer benachbarten Überwachungsschaltung (nicht in 5 dargestellt) verbunden, und zwar mit deren Kaskadierausgang, wobei die benachbarte Überwachungsschaltung eine Speichereinheit überwacht, die auf niedrigerem Potenzialniveau betrieben wird als die Kondensatoren 3a, 3b der Speichereinheit, die von der Überwachungsschaltung 42 in 5 überwacht wird. Ist diese benachbarte Überwachungsschaltung genauso gestaltet wie die Überwachungsschaltung 42 in 5, befindet sich der Kaskadiereingang 11c, der mit dem Kaskadierausgang 11b der benachbarten Überwachungsschaltung verbunden ist, auf dem höheren Signalpegelniveau des Signalausgangs der benachbarten Überwachungsschaltung, wenn kein Fehlersignal oder Test-Fehlersignal von dieser ausgegeben wird. Dieses höhere Potenzialniveau liegt etwa auf dem Potenzialniveau des in 5 unten gelegenen Anschlusses des Kondensators 3b, d. h. auf dem Potenzialniveau des zweiten Überwachungsanschlusses 1b der Überwachungsschaltung 42. Der Grund liegt darin, dass der Komparator der benachbarten Überwachungsschaltung mit der Spannung der Speichereinheit betrieben wird, die von der benachbarten Überwachungsschaltung überwacht wird. Daher kann der Komparator maximal etwa das Spannungsniveau am unteren Anschluss des Kondensators 3b am Signalausgang ausgeben. Abhängig von der Dimensionierung des Kaskadierwiderstandes 12 der benachbarten Überwachungsschaltung ist das Spannungsniveau am Kaskadiereingang 11c der Überwachungsschaltung 42 gemäß 5 noch leicht niedriger als das Potenzial am Überwachungsanschluss 1b der Überwachungsschaltung 42 in 5.
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Das Spannungsniveau am Kaskadiereingang 11c bestimmt das Spannungsniveau am anderen Anschluss der Referenzspannungseinheit 5, d. h. am ersten, mit ”+” bezeichneten Eingang des Komparators 100. Wenn kein Fehlersignal am Kaskadiereingang 11c anliegt, ist aufgrund der entsprechenden Wahl der Widerstände 8, 9 des Spannungsteilers das Potenzialniveau am zweiten, mit ”–” bezeichneten Eingang des Komparators 100 niedriger als am ersten Eingang. Daher gibt der Komparator 100 ebenfalls als Ausgangssignal ein elektrisches Potenzial auf dem höheren Niveau aus.
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Empfängt die Überwachungsschaltung 42 jedoch über ihren Kaskadiereingang 11c das niedrigere Potenzialniveau, weil von der benachbarten Überwachungsschaltung ein Fehlersignal oder Test-Fehlersignal ausgegeben wird, reduziert sich das Potenzial am Eingang der Referenzspannungseinheit und damit auch am Ausgang der Referenzspannungseinheit und am ersten Eingang des Komparators 100. Dadurch wird aufgrund der geeigneten Dimensionierung der Bauteile das Potenzialniveau am zweiten, mit ”–” gekennzeichneten Signaleingang des Komparators 100 unterschritten, so dass der Komparator 100 an seinem Ausgang das Potenzial auf dem niedrigeren Potenzialniveau ausgibt. Bei entsprechender Kaskadierung, d. h. wenn der Kaskadierausgang 11b mit einer weiteren Überwachungsschaltung verbunden ist, pflanzt sich daher das Fehlersignal weiter fort.
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Für die in 6 dargestellte Überwachungsschaltung 52 gilt bezüglich der Funktion das gleiche wie für die Überwachungsschaltung 42 gemäß 5, wobei jedoch der Kaskadiereingang 11d mit dem Kaskadierausgang einer benachbarten Überwachungsschaltung (nicht in 6 dargestellt) verbunden ist, die eine Speichereinheit überwacht, welche auf höherem Potenzialniveau betrieben wird als die Kondensatoren 3a, 3b, die von der Überwachungsschaltung 52 überwacht werden. Wenn kein Fehlersignal von dieser benachbarten Überwachungsschaltung ausgegeben wird, befindet sich das Potenzialniveau am Kaskadiereingang 11d auf dem höheren möglichen Spannungsniveau. In diesem Zustand fällt über die Referenzspannungseinheit die Referenzspannung ab, so dass an dem Punkt zwischen der Referenzspannungseinheit und dem ersten Widerstand 7, der mit dem ersten Signaleingang des Komparators 100 verbunden ist, ein höheres Potenzial anliegt als an dem zweiten, mit ”–” bezeichneten Signaleingang des Komparators 100. Schaltet die benachbarte Überwachungsschaltung dagegen an ihrem Signalausgang auf das niedrigere Potenzial um, d. h. es wird ein Fehlersignal ausgegeben, erniedrigt sich auch das Potenzial am Eingang der Referenzspannungseinheit 5 und damit auch am Ausgang der Referenzspannungseinheit 5 und ebenfalls am ersten, mit ”+” bezeichneten Signaleingang des Komparators 100. Dadurch fällt dieses Potenzial unter das Potenzial am zweiten, mit ”–” bezeichneten Signaleingang des Komparators 100, wodurch dieser am Ausgang auf das niedrigere Potenzial umschaltet. Wiederum kann dieses Filtersignal weiter kaskadiert werden.
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Um die Fortpflanzung des Fehlersignals in der Richtung von oben nach unten in 3 zu erreichen, könnte die Überwachungsschaltung in 3 vom Typ der Überwachungsschaltung in 5 sein. Um die Fortpflanzungsrichtung in 4 zu erzielen, könnte die Überwachungsschaltung vom Typ der in 6 dargestellten Überwachungsschaltung 52 sein.
