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Die vorliegende Erfindung betrifft das technische Gebiet der Kraftfahrzeugelektrik. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Schaltungsanordnung, mit der im Falle einer falschen Polung einer Kraftfahrzeug-Batterie, beispielsweise im Rahmen einer Starthilfe für einen Motor des Kraftfahrzeug oder im Rahmen eines Batterie-Ladevorgangs, eine zuverlässige und schnelle Abklemmung der Batterie sichergestellt werden kann. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Batteriesystem mit einer derartigen Schaltungsanordnung.
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Im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik sind Blei-Batterien bekannt, welche für einen Startvorgang eines Motors mittels eines Anlassers die notwendige elektrische Energie bereit stellen. Im Falle einer Vertauschung der Anschlusspole einer Blei-Batterie, beispielsweise im Rahmen einer Starthilfe des Motors, bei einer Ladung der Batterie mittels eines Ladegerätes oder bei einem falschen Einbau einer geladenen Blei-Batterie, kann es zu einem extrem hohen Stromfluss in der Größenordnung von 1000 Ampere kommen. Ein derart hoher Strom führt jedoch nach kurzer Zeit zu einem Aufschmelzen von Stromleitungen, so dass der Batterieanschluss aufgehoben und damit der hohe Stromfluss unterbrochen wird. In der typischen Zeitspanne bis zum Unterbruch des Stromflusses ist eine gesonderte Trennung der Blei-Batterie vom Bordnetz des Kraftfahrzeugs in der Regel nicht zwingend erforderlich, da eine Blei-Batterie grundsätzlich nicht explodieren kann.
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Um beispielsweise im Falle eines Unfalls eine Blei-Batterie vom Bordnetz elektrisch trennen zu können, sind pyrotechnische Trennvorrichtungen bekannt. Diese haben jedoch den Nachteil, dass nach einer einmaligen Aktivierung die pyrotechnische Trennvorrichtung erneuert werden muss. Eine pyrotechnische Trennung stellt somit keine sich automatisch rückstellende Sicherungsfunktion für ein Kraftfahrzeug dar.
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Ganz anders stellt sich die Situation bei neuartigen Lithium-Ionen Batterien dar, welche in Zukunft aufgrund Ihrer Leistungsfähigkeit Blei-Batterien ersetzen werden und welche insbesondere für Hybridfahrzeuge verwendet werden.
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Ein Hybridfahrzeug ist ein Fahrzeug, in dem mindestens zwei Energieumwandler und zwei im Fahrzeug eingebaute Energiespeichersysteme vorhanden sind, um das Fahrzeug anzutreiben. Energiewandler sind insbesondere ein Verbrennungsmotor und ein Elektromotor. Die entsprechenden Energiespeicher sind dann ein Kraftstofftank und eine Batterie bzw. ein Akku.
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Im Falle einer Vertauschung von Anschlusspolen können Lithium Ionen Zellen, sofern sie leer sind, irreversibel geschädigt werden. Verursacht durch eine Gasung bzw. eine Überhitzung können die Lithium Ionen Zellen nämlich explodieren und dabei das brennbare und giftige Lithium freisetzen. Dadurch sind sich in der Nähe befindliche Personen einer hohen Verletzungsgefahr ausgesetzt. Im Falle einer voll oder zumindest teilweise aufgeladenen Lithium-Ionen Batterie gehen im Falle einer Verpolung die beteiligten Lithium-Ionen Zellen zwar üblicherweise nicht sofort kaputt, extrem hohe Ströme können jedoch, wie bereits oben im Zusammenhang mit der Verpolung von Blei-Batterien beschrieben, zu einem Schmelzen von Leitungen führen und dadurch eine große Verletzungsgefahr für eine Bedienperson darstellen.
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Da auch bei Lithium-Ionen Batterien im Falle einer Verpolung Ströme von bis zu 1000 Ampere auftreten können, scheidet ein einfacher Verpolschutz mit Verpolschutzdioden sowohl aus technischen als auch aus wirtschaftlichen Gründen aus.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Betriebssicherheit von Kraftfahrzeug-Bordnetzen im Falle einer versehentlichen Verpolung einer Kraftfahrzeug-Batterie auf einfache und zugleich effiziente Weise zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Schaltungsanordnung zum Schützen einer Batterie vor Beschädigungen im Falle einer Vertauschung von Anschlusspolen beschrieben. Die Batterie kann insbesondere die Batterie eines Kraftfahrzeugs sein. Die beschriebene Schaltungsanordnung weist auf (a) einen ersten Anschluss, eingerichtet zum Kontaktieren eines ersten Pols der Batterie, (b) einen zweiten Anschluss, eingerichtet zum Kontaktieren eines zweiten Pols der Batterie, (c) eine Konverterschaltung, welche einen mit dem zweiten Anschluss gekoppelten Eingang und einen Ausgang aufweist, und (d) eine Trennschaltung, welche mit dem ersten Anschluss und mit dem Ausgang der Konverterschaltung gekoppelt ist, welche mit einer Strom-/Spannungsüberwachungseinheit koppelbar ist und welche ein Schaltelement aufweist, welches bei einem entsprechenden Signal der Strom-/Spannungsüberwachungseinheit aktivierbar ist, so dass der erste Anschluss von der Trennschaltung getrennt ist. Die Konverterschaltung ist derart ausgebildet, dass unabhängig von dem Vorzeichen einer Spannungsdifferenz zwischen einem ersten Spannungspegel, welcher an dem ersten Anschluss anliegt, und einem zweiten Spannungspegel, welcher an dem zweiten Anschluss anliegt, der Ausgang in Bezug zu dem ersten Anschluss eine Spannungsdifferenz mit einem vorbestimmten Vorzeichen aufweist, so dass die Trennschaltung mit elektrischer Energie versorgbar ist.
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Der beschriebenen Schaltungsanordnung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für einen effektiven Schutz im Falle einer Verpolung eine Konverterschaltung verwendet werden kann, welche in zwei nachfolgend beschriebenen Betriebszuständen arbeiten kann.
- (I) Ein erster Betriebszustand, welcher auch als normaler Betriebszustand bezeichnet werden kann, liegt dann vor, wenn die Batterie mit einer korrekten Polung angeschlossen ist. In diesem Fall liefert die Konverterschaltung an ihrem Ausgang einen Ausgangsspannungspegel, welcher in Bezug zu dem ersten Spannungspegel das gleiche Vorzeichen aufweist wie der zweite Spannungspegel.
- (II) Der zweite Betriebszustand liegt dann vor, wenn die Batterie mit einer falschen Polung angeschlossen ist. In diesem Fall invertiert und/oder verschiebt die Konverterschaltung den zweiten an ihrem Eingang anliegenden Spannungspegel. Dadurch liegt an ihrem Ausgang ein Ausgangsspannungspegel an, welcher in Bezug zu dem ersten Spannungspegel eine Spannungsdifferenz mit dem gleichen Vorzeichen aufweist, welches auch bei einer korrekten Polung der Batterie gegeben ist.
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Da somit zwischen dem ersten Anschluss und dem Ausgang der Konverterschaltung stets eine Spannungsdifferenz mit einem vorgegebenen Vorzeichen anliegt, kann die Trennschaltung und ggf. auch die Strom-/Spannungsüberwachungseinheit, welche beispielsweise mittels eines Mikroprozessors realisiert sein kann, in korrekter Weise, d. h. mit einer korrekten Polung, mit elektrischer Energie versorgt werden. Die Strom-/Spannungsüberwachungseinheit kann damit auch im Falle einer Verpolung ohne Unterbrechung arbeiten und in bekannter Weise die Trennschaltung derart aktivieren, dass die Batterie abgeklemmt wird.
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In anderen Worten bedeutet dies, dass die Trennschaltung die Stromzuführung zu der Batterie hin (an zumindest einem Batterieanschluss) unterbricht, wobei die Energie bzw. die Leistung, die zum Betrieb der Trennschaltung erforderlich ist, trotz der Verpolung aus der Verpolspannung gewonnen wird.
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Durch die zuverlässige und schnelle Abklemmung der Batterie im Falle einer Verpolung kann die beschriebene Schaltungsanordnung dazu beitragen, dass Sicherheitsanforderungen im Bereich der Automobiltechnik wie beispielsweise ein sog. Automotive Safety Integry Level (ASIL) erfüllt werden.
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In diesem Dokument kann der Begriff ”gekoppelt” sowohl eine direkte als auch eine indirekte Verbindung der entsprechenden Anschlusse oder Elemente bedeuten. Eine indirekte Verbindung kann über ein Schaltungselement oder über mehrere Schaltungselemente hergestellt sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Konverterschaltung eine Serienschaltung aus einer ersten Spule, einem Kondensator und einer zweiten Spule auf. Dabei ist (a) die erste Spule mit dem Eingang der Konverterschaltung gekoppelt und (b) die zweite Spule mit dem Ausgang der Konverterschaltung gekoppelt.
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Mittels der beschriebenen Serienschaltung kann die elektrische Energie von dem Eingang der Konverterschaltung auf den Ausgang der Konverterschaltung transferiert werden, wobei der Kondensator dafür sorgt, dass die entsprechende Spannung invertiert wird. Durch den Kondensator ist ferner der Ausgang der Konverterschaltung von dem Eingang der Konverterschaltung galvanisch entkoppelt. Der Transfer erfolgt also im Gegensatz zu anderen Konverterschaltungen nicht induktiv sondern kapazitiv über den beschriebenen Kondensator.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Konverterschaltung ferner eine erste Diode, welche den Eingang der Konverterschaltung mit der ersten Spule verbindet, und eine zweite Diode, welche den Eingang der Konverterschaltung mit dem Ausgang der Konverterschaltung verbindet, auf. Dabei ist in Bezug zu dem Eingang der Konverterschaltung die erste Diode in unterschiedlicher Richtung wie die zweite Diode geschaltet.
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Die beiden Dioden können ein Teil einer Brückengleichrichterschaltung sein, wobei im Falle einer korrekten Polung die zweite Diode in Durchlassrichtung und die erste Diode in Sperrrichtung geschalten ist. Im Falle einer Verpolung ist dann die erste Diode in Durchlassrichtung und die zweite Diode in Sperrrichtung geschalten. Dies bedeutet, dass die oben beschriebene Serienschaltung lediglich im Falle einer Verpolung aktiv ist.
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Bei einer korrekten Polung erfolgt der Stromfluss über die zweite Diode, so dass sich der Spannungspegel am Ausgang der Konverterschaltung lediglich um einen für eine Diode charakteristischen Spannungsabfall von dem ersten Spannungspegel unterscheidet, welcher an dem Eingang der Konverterschaltung anliegt.
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Die beschriebene Schaltung der beiden Dioden kann auch als Dioden-Mittelpunktschaltung bezeichnet werden. Diese hat in Verbindung mit der oben beschriebenen Serienschaltung aus erster Spule, Kondensator und zweiter Spule eine Reihe von Vorteilen: (1) Die Trennschaltung kann im Falle einer Verpolung nahezu ohne Ruhestrom und autark angesteuert werden. (2) Die Schaltung stellt am Ausgang der Konverterschaltung eine Pseudo-Masse (GND) zur Verfügung, welche in Bezug zu dem ersten Spannungspegel stets negativ ist. Die Pseudo-Masse ermöglicht auf vorteilhafte Weise eine einfache Erweiterung der Schaltungsanordnung durch weitere galvanisch miteinander verbundene Schaltungsteile. (3) Es wird zuverlässig verhindert, dass sich die Ansteuerung der Trennschaltung im Normalfall (Ansteuerung erfolgt bei Überstrom z. B. über die Strom-/Spannungsüberwachungseinheit) und die Ansteuerung der Trennschaltung im Falle einer Verpolung gegenseitig beeinflussen.
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An dieser Stelle wird darauf hingewiesen, dass die erste Diode und/oder die zweite Diode auch mittels (jeweils) eines Feldeffekttransistors realisiert werden kann, welcher inhärent eine Diode aufweist, welche häufig auch als Substratdiode bezeichnet wird. Durch die Verwendung eines Feldeffekttransistors anstelle einer herkömmlichen Diode kann ein temperaturabhängiger Spannungsabfall zwischen 0,6 V und 1 V (bei ca. –40°C) vermieden werden. Der Feldeffekttransistor kann beispielsweise ein MosFET sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Konverterschaltung einen CUK Konverter auf.
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Ein Cuk-Konverter (benannt nach dem Erfinder Slobodan Ćuk) welcher in der Veröffentlichung
"Ćuk, Slobodan; Middlebrook, R. D. (June 8, 1976); A General Unified Approach to Modelling Switching-Converter Power Stages; Proceedings of the IEEE Power Electronics Specialists Conference (Cleveland, OH.); pp. 73–86" beschrieben ist, ist ein getaktetes Schaltnetzteil, mit dem eine ungeregelte Gleichspannung in eine geregelte, in einem gewissen Bereich beliebig festlegbare Gleichspannung umgewandelt werden kann. Die Ausgangsspannung des CUK-Konverters kann dabei auch über dem Niveau der Eingangsspannung liegen und/oder in Bezug zu der Eingangsspannung invertiert werden. Der Vorteil eines ein Schaltnetzteil aufweisenden CUK-Konverters gegenüber einem konventionellen Netzteil mit Transformator ist ein wesentlich höherer Wirkungsgrad. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei einer hohen Schaltfrequenz die Spulen bzw. Induktivitäten entsprechend klein ausgelegt werden können und somit der CUK-Konverter bei gleicher Leistungsübertragung gegenüber einem konventionellen Netzteil wesentlich weniger Platz benötigt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Konverterschaltung auch andere Konverter als den CUK-Konverter aufweisen kann. So kann die Konverterschaltung prinzipiell auch mit anderen Arten von Schaltregelern realisiert werden. Ebenso kann die Konverterschaltung beispielsweise mit einer Ladungspumpe realisiert werden. In diesem Zusammenhang ist eine Ladungspumpe eine elektronische Schaltung zur Erzeugung einer positiven oder negativen Spannung, die meist höher ist als die zur Verfügung stehende Spannung. Ladungspumpen transportieren Ladung mit Kapazitäten von einem niedrigen Potential zu einem höheren Potential.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Konverterschaltung ferner einen Energiespeicher auf, welcher mit dem Ausgang der Konverterschaltung verbunden ist. Der Energiespeicher kann beispielsweise ein Kondensator, insbesondere ein Elektrolytkondensator sein.
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Die Verwendung des beschriebenen Energiespeichers hat den Vorteil, dass an dem Ausgang der Konverterschaltung stets zumindest eine gewisse Menge an elektrischer Energie gespeichert ist, welche bei Bedarf abgerufen werden kann. Auf diese Weise wird die Zuverlässigkeit der beschriebenen Schaltungsanordnung erheblich erhöht, weil stets, d. h. auch nach einer Verpolung genügend Energie zur Versorgung der Trennschaltung zur Verfügung steht, damit diese die Batterie zuverlässig und zügig abklemmen kann. Dies gilt auch im Falle einer kleinen, ggf. zulässigen Verpolspannung.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Schaltelement eine Komponente eines Relais.
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Das Relais kann beispielsweise als bistabiles Relais ausgebildet sein. Das bistabile Relais kann (a) durch ein Öffnungssignal, das beispielsweise von der Strom-/Spannungsüberwachungseinheit z. B. über eine erste Leitung zugeführt wird, in seine stabile Öffnungsstellung überführt werden und (b) durch ein Schließsignal, das beispielsweise von der Strom-/Spannungsüberwachungseinheit z. B. über eine zweite Leitung zugeführt wird, in seine stabile Schließstellung überführt werden. Eine besonders zuverlässige Bi-Stabilität kann durch zwei Schalter, beispielsweise einem erste Transistor und einem zweiten Transistor, erreicht werden, welche derart mit dem Relais und anderen Komponenten der Schaltungsanordnung verschaltet sind, dass je nach Zustand des Relais entweder der erste Schalter oder alternativ der zweite Schalter leitend bzw. durchgeschalten ist. Die Transistoren können beispielsweise Feldeffekttransistoren sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Schaltelement ein Halbleiterschalter. Dies hat den Vorteil, dass die Trennschaltung ohne mechanisch bewegliche Bauteile realisiert werden kann. Der Halbleiterschalter kann beispielsweise ein Transistor, insbesondere ein Feldeffekttransistor sein.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Schaltungsanordnung ferner (a) einen ersten Hauptanschluss, welcher mit der Trennschaltung gekoppelt ist und welcher über das Schaltelement mit dem ersten Anschluss gekoppelt ist, und (b) einen zweiten Hauptanschluss, welcher mit dem zweiten Anschluss gekoppelt ist, auf.
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Die Hauptanschlüsse können beispielsweise dazu verwendet werden, um die Batterie mittels eines geeigneten Ladegeräts aufzuladen und/oder um im Falle einer Starthilfe ein Starthilfekabel anzuschließen. Ferner kann über die Hauptanschlüsse beispielsweise bei einem gewöhnlichen Startvorgang eines Motors (mithilfe eines Anlassers) der erforderliche Strom für den Anlasser bereitgestellt werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass mit der Kopplung des zweiten Hauptanschlusses mit dem zweiten Anschluss automatisch der zweite Hauptanschluss auch mit dem Eingang der Konverterschaltung gekoppelt ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Schaltungsanordnung ferner eine Triggerschaltung auf, welche (a) eingangsseitig mit dem ersten Hauptanschluss, mit dem zweiten Hauptanschluss und mit dem Ausgang der Konverterschaltung gekoppelt ist und welche (b) ausgangsseitig mit der Trennschaltung gekoppelt ist. Die Triggerschaltung ist dabei derart ausgebildet, dass selbsttätig ein Signal zur Aktivierung des Schaltelements erzeugt wird, wenn zwischen dem ersten Hauptanschluss und dem zweiten Hauptanschluss eine Spannungsdifferenz anliegt, welche ein Vorzeichen aufweist, das für eine Verpolung der Batterie indikativ ist.
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Die beschriebene Triggerschaltung hat den Vorteil, dass bereits bei einer sehr kleinen Verpolspannung, insbesondere bei einer Verpolspannung kleiner gleich 1 V, sich das Schaltelement der Trennschaltung automatisch aktiviert. Dadurch kann im Sonderfall einer Verpolung bei hochohmigen Zellen bereits frühzeitig die Batterie abgeklemmt und eine Beschädigung derselben vermieden werden.
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Die beschriebene Triggerschaltung ist insbesondere auch dann von Vorteil, wenn die Batterie weitgehend entladen ist und mit einem verkehrt angeschlossenen Ladegerät geladen wird, welches jedoch lediglich einen geringen Ladestrom von beispielsweise maximal 1 Ampere bereitstellen kann. In diesem Fall würde die Batterie nämlich nur sehr langsam mit vertauschter Polarität aufgeladen. Sobald sich eine Verpolspannung von ca. 3 Volt zwischen den Anschlussklemmen der Batterie aufgebaut hat, liefert der CUK-Konverter genügend Energie zur Aktivierung der Trennschaltung.
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Im Falle der Verwendung von mehreren in Serie geschalteten Lithium-Ionen Zellen, reicht diese Spannung aber für eine Schädigung oder gefährlichen Zerstörung derselben nicht aus.
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Die beschriebene Triggerschaltung kann beispielsweise zwei Schaltungskomponenten aufweisen, wobei eine erste Schaltungskomponente eine Komparatorschaltung (bevorzugt mit einer gewissen Hysterese) und die zweite Schaltungskomponente eine Transistorschaltung (zur Vermeidung eines Ruhestroms) ist. Eine Aktivierung der Triggerschaltung durch eine kleine Verpolspannung kann dadurch erfolgen, dass zunächst ein Transistor der Transistorschaltung und danach ein Transistor der Komparatorschaltung durchgeschalten werden. Ein Ausgang des durchgeschalteten Transistors der Komparatorschaltung kann dann ein entsprechendes Öffnungssignal für die Trennschaltung bzw. für das oben beschriebene Relais der Trennschaltung liefern.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Batteriesystem beschrieben, welches insbesondere für ein Kraftfahrzeug geeignet ist. Das beschriebene Batteriesystem weist auf (a) eine Batterie, welche einen ersten Pol und einen zweiten Pol aufweist, und (b) eine Schaltungsanordnung des oben beschriebenen Typs. Der erste Pol ist mit dem ersten Anschluss der Schaltungsanordnung und der zweite Pol ist mit dem zweiten Anschluss der Schaltungsanordnung verbunden.
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Auch dem beschriebenen Batteriesystem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die Konverterschaltung ein einfacher und zuverlässiger Schutz der Batterie im Falle einer Verpolung gewährleistet werden kann.
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Die Batterie kann jeder beliebiger Energiespeicher sein, welcher auf chemische und/oder physikalische Weise elektrische Energie speichern kann. Die Batterie kann wieder aufladbar sein und beispielsweise als Akku bezeichnet werden. Auch wenn in der Kraftfahrzeugtechnik eher unüblich, kann die Batterie auch eine nicht wieder aufladbare Batterie oder eine sog. Einwegbatterie sein.
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Eine wiederaufladbare Batterie kann beispielsweise ein Blei-Säure Akku oder ein Lithium Ionen Akku sein. Die Batterie kann eine oder mehrere Batteriezellen aufweisen. Diese können (zum Zwecke einer Spannungserhöhung) hintereinander und/oder (zum Zwecke einer Leistungs- bzw. Kapazitätserhöhung) nebeneinander geschaltet sein. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die beschriebene Schaltungsanordnung auf vorteilhafte Weise universell für alle Arten von Batteriezellen, beispielsweise auch für NiCd oder NiMH Zellen, anwendbar ist.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieser Anmeldung sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
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Die Figur zeigt gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Batteriesystem mit einer Schaltungsanordnung, welche die Batterie im Falle einer Verpolung vor einer Beschädigung schützt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebene Ausführungsform lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen Ausführungsvarianten der Erfindung darstellt.
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Die Figur zeigt ein Batteriesystem 100, welches eine Batterie 100 aufweist, die mehrere Batteriezellen 110, beispielsweise Lithium-Ionen Zellen, umfasst. Die Batteriezellen 110 können nicht nur, wie in der Figur dargestellt, in Serie sondern auch parallel miteinander verschaltet sein.
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Das Batteriesystem 100 weist ferner eine Schaltungsanordnung auf, welche gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Trennschaltung 130, eine Konverterschaltung 150, eine als Mikroprozessor ausgebildete Strom-/Spannungsüberwachungseinheit 170, eine Strommesseinrichtung 115 und eine Triggerschaltung 180 umfasst.
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Mittels eines ersten Anschlusses 121 und eines zweiten Anschlusses 122 ist die Batterie mit der Schaltungsanordnung verbunden. Das Batteriesystem 100 weist ferner einen ersten Hauptanschluss 111 und einen zweiten Hauptanschluss 112 auf, welche zum elektrischen Verbinden des Batteriesystems 100 sowohl mit einem nicht dargestellten Anlasser als auch bei Bedarf mit einem Ladegerät oder einem Starthilfekabel dienen. Bei einer korrekten Polung liegt an dem ersten Hauptanschluss 111 eine positive Spannung und an dem zweiten Hauptanschluss 112 eine negative Spannung an. Dieser normale Betriebszustand ist in der Figur dargestellt. Im Falle einer Verpolung liegt an dem ersten Hauptanschluss 111 eine negative Spannung und an dem zweiten Hauptanschluss 112 eine positive Spannung an. Selbstverständlich bedeuten in diesem Zusammenhang die Begriffe ”positiv” und ”negativ” nicht absolute Spannungsniveaus, sondern bezeichnen nur Spannungsniveaus relativ zueinander. So kann im normalen Betriebszustand die ”negative Spannung” gleich einem Erdungspotential bzw. Massepotential sein.
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Wie aus der Figur ersichtlich, weist die Trennschaltung 130 ein Relais 132b auf, welches wiederum ein Schaltelement 132a aufweist. Das Schaltelement 132a ist in Serie mit einer Sicherung 138 zwischen dem ersten Anschluss 121 und dem ersten Hauptanschluss 111 geschaltet. Die Sicherung 138 ist für einen Strom in der Größenordnung von zumindest mehreren hundert Ampere ausgelegt, so dass das Batteriesystem 100 für einen gewöhnlichen Startvorgang mit einem Anlasser genügend Strom bereitstellen kann. Zwischen dem ersten Hauptanschluss 111 und dem Relais 132b befindet sich eine Sicherung 139. Über diese Sicherung 139 muss lediglich der Strom fließen, welcher zur Ansteuerung des Schaltelements 132a erforderlich ist. Daher ist diese Sicherung 139 lediglich für eine Stromstärke in der Größenordnung von einigen Milliampere ausgelegt. Die Sicherungen 138 und 139 können Schmelzsicherungen oder alternativ auch elektronische Sicherungen sein.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Relais 132b ein bistabiles Relais, welches von zwei Feldeffekttransistoren (FET) angesteuert wird. Wie aus der Figur ersichtlich, weist die entsprechende Ansteuerschaltung neben zwei FETs noch zwei Widerstände (R) und zwei Dioden (D) auf. Über ein Signal ”Aus”, welches über eine erste Ansteuerleitung 134a von der Strom-/Spannungsüberwachungseinheit 170 bereitgestellt werden kann, kann das Relais 132b so angesteuert werden, dass das Schaltelement 132a geöffnet wird und damit die Batterie 110 abgeklemmt wird. Über ein Signal ”An”, welches über eine zweite Ansteuerleitung 134b von der Strom-/Spannungsüberwachungseinheit 170 bereitgestellt werden kann, kann das Relais 132b so angesteuert werden, dass das Schaltelement 132a geschlossen wird und damit die Batterie 110 wieder mit dem ersten Hauptanschluss 111 verbunden werden kann.
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Da die Ansteuerung eines bistabilen Relais dem Fachmann bekannt ist, wird an dieser Stelle nicht näher auf die Ansteuerschaltung des Relais 132b eingegangen.
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Wie aus der Figur ersichtlich, ist die Strom-/Spannungsüberwachungseinheit 170 über eine Messleitung 170a mit dem ersten Hauptanschluss 111 bzw. mit der Sicherung 139 verbunden. Über die Messleitung 170a kann die Strom-/Spannungsüberwachungseinheit 170 die zwischen den Hauptanschlüssen 111 und 112 anliegende Spannung erfassen. Die Strom-/Spannungsüberwachungseinheit 170 ist ferner über eine Messleitung 170b mit der Strommesseinrichtung 115 verbunden. Über die Messleitung 170b kann die Strom-/Spannungsüberwachungseinheit 170 die Stromstärke erfassen, welche von der Batterie 110 bereitgestellt wird und/oder welche (im Falle einer Verpolung) in die Batterie fließt.
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Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Strommesseinrichtung 115 ein Hall-Sensor. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der Hall-Sensor auch durch einen einfachen Fühlerwiderstand ersetzt werden kann. In diesem Fall ist jedoch eine irgendwie geartete galvanische Trennung zwischen der der Strom-/Spannungsüberwachungseinheit 170 und dem Fühlerwiderstand erforderlich.
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Die Konverterschaltung 150 weist einen Eingang 151 und einen Ausgang 152 auf. Der Eingang 151 ist direkt mit dem zweiten Anschluss 122 und mit dem zweiten Hauptanschluss 112 verbunden. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Konverterschaltung 150 ferner (a) eine Gleichrichter-Brückenschaltung bestehend aus einer ersten Diode 155 und einer zweiten Diode 156 sowie (b) einen sog. CUK-Konverter 160 auf. Abhängig von der Anschlusspolung an den beiden Hauptanschlüssen 111 und 112 kann Strom entweder durch die erste Diode 155 (bei Verpolung) oder durch die zweite Diode 156 (bei korrekte Polung) fließen.
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Der CUK-Konverter weist in Serie geschalten eine erste Spule 161, einen CUK-Kondensator 162 sowie eine zweite Spule 163 auf. Außerdem weist der CUK-Konverter 160 noch einen Schaltregler 165, einen als Elektrolytkondensator ausgebildeten Energiespeicher 168 sowie eine Reihe anderer elektronischer Bauelemente (einen Kondensator (C), drei Widerstände (R), eine Diode (D)) auf. Die Verschaltung der einzelnen Komponenten des CUK-Konverters 160 ist aus der Figur ersichtlich. Da CUK-Konverter seit langem bekannt sind, wird an dieser Stelle nicht im Detail auf die Funktionsweise des CUK-Konverters 160 eingegangen.
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Die Funktion der gesamten Schaltungsanordnung für einen effektiven Verpolschutz beruht auf der Erkenntnis, dass unabhängig von der Anschlusspolung an den beiden Hauptanschlüssen 111 und 121 an dem Ausgang 152 der Konverterschaltung 150 in Bezug zu dem Spannungspotential, welches an dem ersten Hauptanschluss 111 und an dem ersten Anschluss 121 anliegt, stets ein negatives Potential anliegt.
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So ist bei einer korrekten Anschlusspolung (in der Figur durch ”+” und ”–” dargestellt) der CUK-Konverter 160 nicht aktiv. Die Diode 156 leitet, die Diode 155 sperrt, der Kondensator 168 ist korrekt gepolt und an dem Ausgang 152 liegt abgesehen von dem typischen Spannungsabfall an der Diode 156 das gleiche negative Potential wie an dem zweiten Hauptanschluss 112 an. Es wird darauf hingewiesen, dass der Spannungsabfall an der Diode, welche je nach Temperatur typischerweise zwischen 0,6 Volt und 1 Volt liegt, in bekannter Weise durch die Verwendung der Substratdiode eines Feldeffekttransistors vermieden werden kann.
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Bei einer verkehrten Anschlusspolung bzw. einer Verpolung (an dem ersten Hauptanschluss 111 liegt eine negative Spannung und an dem an dem zweiten Hauptanschluss 112 liegt eine positive Spannung an) wird der CUK-Konverter 160 aktiviert. Die Diode 155 leitet, die Diode 156 sperrt und der CUK-Konverter und insbesondere die Serienschaltung aus erster Spule 161, Kondensator 162 und zweiter Spule 163 sorgt dafür, dass am Ausgang 162 erneut gegenüber dem Potential am ersten Hauptanschluss 111 ein negatives Potential anliegt. Damit ist der der Kondensator 168 erneut korrekt gepolt.
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Da der Ausgang 152 der Konverterschaltung 150 somit stets in Bezug zu dem ersten Hauptanschluss 111 auf negativem Potential liegt, kann der Ausgang 152 als eine Pseudo-Masse aufgefasst werden, welche bei einer Verpolung durch den CUK-Kondensator 162 galvanisch von dem zweiten Hauptanschluss 112 getrennt ist. Damit bleibt der als Energiespeicher dienende Kondensator 168 stets korrekt gepolt und kann unabhängig von der Anschlusspolung für die Trennschaltung 130 und ggf. auch für die Triggerschaltung 180 und für die Strom-/Spannungsüberwachungseinheit 170 die notwendige Energie zum Betrieb derselben bereitstellen. Somit kann die Ansteuerschaltung des Relais 132b stets in korrekter Weise auf von der Strom-/Spannungsüberwachungseinheit bereitgestellte Signale ”Aus” und ”An” reagieren und, wie bereits oben erläutert, im Falle einer Verpolung das Schaltelement 138 öffnen und damit die Batterie 110 abklemmen.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die beschriebene Schaltungsanordnung reversibel arbeiten kann. Dies bedeutet, dass nach einer Verpolung, bei der die Batterie zügig 110 abgeklemmt wird, und nach einer späteren Aufhebung der Verpolung (z. B. wird das Ladegerät oder das Starthilfekabel wieder korrekt angeschlossen) die Strom-/Spannungsüberwachungseinheit 170 die nunmehr wieder vorhandene korrekte Anschlusspolung erkennen kann und über die zweite Ansteuerleitung 134b ein Signal ”An” an die Ansteuerschaltung des Relais 132 ausgeben kann. Daraufhin wird das Relais 132b sein Schaltelement 132a wieder schließen und so die Batterie 110 wieder anklemmen.
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Im Folgenden wird noch auf den Aufbau und auf die Funktion der Triggerschaltung 180 eingegangen: Wie aus der Figur ersichtlich, weist die Triggerschaltung eine Transistorschaltung 182 und eine Komparatorschaltung 186 auf. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Transistorschaltung 182 einen Transistor (T), einen Widerstand (R) sowie einen Kondensator (C) auf. Die Komparatorschaltung 186 weist einen Transistor (T), eine Art Zenerdiode (Z) sowie drei Widerstände (R) auf. Ein Ausgang 181 der Triggerschaltung 180 ist mit der ersten Ansteuerleitung 134a verbunden.
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Das Relais 132b ist somit über eine ”verdrahtete” ODER-Schaltung sowohl mit der Strom-/Spannungsüberwachungseinheit 170 als auch mit der Triggerschaltung 180 verbunden. Das Relais kann somit sowohl von Seiten der Triggerschaltung 180 als auch von Seiten der Strom-/Spannungsüberwachungseinheit 170 angesteuert werden. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Relais 132b im Falle einer Verpolung von der Triggerschaltung 180 und im Falle eines Überstroms und/oder einer Überspannung von der Strom-/Spannungsüberwachungseinheit 170 geschalten. Es wird darauf hingewiesen, dass aus Gründen der Übersichtlichkeit die Überstrom- und Überspannungsüberwachung in der Figur nicht eingezeichnet sind.
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Die Funktion der Triggerschaltung 180 besteht darin, ein Signal ”Aus” zur Aktivierung des Schaltelements 132a bereitzustellen, wenn der erste Hauptanschluss 111 und der zweite Hauptanschluss 112 verpolt sind, wobei jedoch zwischen den Anschlüssen 121 und 122 und damit auch zwischen den Hauptanschlüssen 111 und 112 lediglich eine geringe Verpolspannung von weniger als 3 Volt anliegt. Eine solche Situation kann entstehen, wenn die Batterie 110 weitgehend entladen ist und dann mit einem verkehrt angeschlossenen Ladegerät geladen wird, welches jedoch lediglich einen geringen Ladestrom von beispielsweise maximal einem Ampere bereitstellen kann. In diesem Fall wird die Batterie 110 nämlich nur sehr langsam mit vertauschter Polarität aufgeladen.
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Ohne die Triggerschaltung 180 würde die Trennschaltung 130 bzw. genauer das Relais 132 von der Konverterschaltung 150 bzw. genauer von dem CUK-Konverter 150 erst bei einer Verpolspannung von ca. 3 Volt aktiviert und damit die Batterie 110 abgeklemmt. Im Falle der Verwendung von Lithium-Ionen Zellen 110a wären diese dann vermutlich bereits zerstört. Da die beschriebene Triggerschaltung 180 bereits eine kleine Verpolspannung frühzeitig erkennen kann wird eine Zerstörung der Batterie 110 zuverlässig verhindert.
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Da in den unterschiedlichen Betriebszuständen des Batteriesystems 100 jeweils unterschiedliche Komponenten bzw. Schaltungsteile des Batteriesystems 100 aktiv sind, werden nachfolgen die verschiedenen Betriebszustände des Batteriesystems 100 in tabellarischer Form aufgeführt:
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1. Normalbetrieb (korrekte Polung)
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- 1.1. Die Ladespannung ist zu hoch (beispielsweise aufgrund einer defekten Ladeschaltung): In diesem Fall könnten die Batteriezellen 110a gasen und ggf. platzen. Die erhöhte Ladespannung wird jedoch von der Strom-/Spannungsüberwachungseinheit 170 erkannt, welche das Schaltelement 132a des Relais 132b öffnet.
- 1.2. Die Batterie 110 ist kurzgeschlossen: Die Strommesseinrichtung 115 übergibt über die Messleitung 170b den entsprechenden Stromwert an die Strom-/Spannungsüberwachungseinheit 170. Diese erkennt einen Überstrom und schaltet das Relais 132b ab (Schaltelement 132a wird geöffnet).
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2. Verpolung
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- 2.1. Die Batterie ist voll geladen: Die Strom-/Spannungsüberwachungseinheit 170 erkennt einen Überstrom und schaltet das Relais 132b ab (Funktion wie bei 1.2.)
- 2.2. Die Batterie ist leer: Bei einer Verpolspannung, die größer als ungefähr 3 Volt ist, wird der Schaltregler 165 aktiv, der Elektrolytkondensator 168 wird aufgeladen, die Triggerschaltung 180 löst selbsttätig aus und das Schaltelement 132a des Relais 132b wird geöffnet.
- 2.3. Die Batterie scheint voll geladen zu sein, ist jedoch hochohmig: In diesem Spezialfall ist der Elektrolytkondensator 168 bereits aus dem Normalbetrieb aufgeladen und die die Triggerschaltung 180 löst bereits bei einer kleinen Verpolspannung von weniger oder ungefähr 1 Volt aus. Damit wird ebenfalls das Schaltelement 132a des Relais 132b geöffnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”Ćuk, Slobodan; Middlebrook, R. D. (June 8, 1976); A General Unified Approach to Modelling Switching-Converter Power Stages; Proceedings of the IEEE Power Electronics Specialists Conference (Cleveland, OH.); pp. 73–86” [0024]
