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Hintergrund der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Starthilfevorrichtung für ein Fahrzeug, das eine verbrauchte oder entladene Batterie aufweist. Gemäß dem Stand der Technik sind Vorrichtungen bekannt, die entweder ein Paar von elektrischen Verbindungskabeln aufweisen, die eine vollständig aufgeladene Batterie eines anderen Fahrzeugs mit der Fahrzeugstartschaltung des Fahrzeugs verbinden, das die erschöpfte Batterie enthält, oder tragbare Starthilfevorrichtungen, die eine vollständig geladene Batterie aufweisen, und die mit der Startvorrichtung des Fahrzeugmotors über ein Kabelpaar in einer Schaltung verbunden werden können.
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Probleme entstanden beim Stand der Technik, wenn entweder die Drahtbrückenanschlüsse oder -klemmen der Kabel irrtümlich miteinander in Kontakt gebracht wurden, während die anderen Enden an eine geladenen Batterie angeschlossen waren, oder wenn die positiven und negativen Anschlüsse mit den Anschlüssen entgegengesetzter Polung im zu überbrückenden Fahrzeug verbunden wurden, wodurch ein Kurzschluss verursacht wurde, der zu einer Funkenbildung und einer potentiellen Beschädigung der Batterien und/oder einem körperlichen Schaden führte.
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Gemäß dem Stand der Technik wurden unterschiedliche Versuche zur Beseitigung dieser Probleme unternommen.
US 6,212,054 , erteilt am 3. April 2001, offenbart eine Batteriestarthilfeeinheit, die empfindlich auf die Polung reagiert und passende oder unpassende Verbindungen detektieren kann, bevor ein Pfad für den elektrischen Ladungsfluss bereitgestellt wird. Die Vorrichtung verwendet einen Satz von LEDs, die mit durch eine Steuerschaltung ausgerichteten optischen Kopplern verbunden sind. Die Steuerschaltung steuert eine Spulenanordnung, die den Pfad eines Leistungsstroms steuert. Der Steuerschaltkreis lässt einen Leistungsstromfluss durch die Spulenanordnung nur dann zu, wenn die Kontaktpunkte der Starthilfekabelklemmenverbindungen richtig angelegt wurden.
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US 6,632,103 , erteilt am 14. Oktober 2003, offenbart ein adaptives Starthilfekabel, das durch zwei Klemmenpaare verbunden ist, wobei die beiden Klemmenpaare jeweils an zwei Batterien angeschlossen sind, um Strom von einer Batterie zu einer anderen Batterie zu übertragen. Das adaptive Starthilfekabel enthält eine mit jeder Klemme verbundene Polungsdetektionseinheit, eine Schalteinheit und eine Stromdetektionseinheit, die beide zwischen den beiden Klemmenpaaren vorhanden sind. Nachdem die Polung jeder Klemme durch die Polungsdetektionseinheit abgetastet wurde, erzeugt die Schalteinheit eine geeignete Verbindung zwischen den beiden Batterien. Daher sind die positiven und negativen Anschlüsse der beiden Batterien basierend auf dem detektierten Ergebnis der Polungsdetektionseinheit passend verbunden.
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US 8,493,021 , erteilt am 23. Juli 2013, offenbart eine Vorrichtung, die die Spannung einer Fahrzeugbatterie, welche Starthilfe bekommt und den durch die Starthilfebatterien gelieferte Strom überwacht, um zu bestimmen, ob eine passende Verbindung hergestellt wurde und um eine Fehlerüberwachung bereitzustellen. Nur wenn die geeignete Polung detektiert wird, kann das System betrieben werden. Die Spannung wird überwacht, um einen offenen Stromkreis, getrennte leitende Klemmen, Nebenschlusskabelfehler und Spulenfehlerzustände zu erfassen. Der Strom durch das Nebenschlusskabel wird überwacht, um das Bestehen eines Batterieexplosionsrisikos und eines einen Überhitzungszustand darstellenden Überschussstromzustands zu erkennen, der zu einem Feuer führen kann. Das System enthält eine interne Batterie zum Bereitstellen der Spannung für die Batterie des Fahrzeugs, das Starthilfe bekommen soll. Sobald das Fahrzeug gestartet ist, findet eine automatische elektrische Trennung der Einheit von der Fahrzeugbatterie statt.
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US 5,189,359 , erteilt am 23. Februar 1993, offenbart eine Starthilfekabelvorrichtung, die zwei Brückengleichrichter zum Ausbilden einer Referenzspannung, einen Dekodierer mit vier Eingängen zum Erkennen, welche Anschlüsse verbunden werden sollen, basierend auf einem Vergleich der Spannung an jedem der vier Anschlüsse mit der Referenzspannung, und ein Relaispaar aufweist, zum Bewirken der passenden Verbindung in Abhängigkeit von der Erkennung durch den Dekodierer. Es wird keine Verbindung hergestellt, es sei denn, dass nur ein Anschluss einer jeden Batterie eine höhere Spannung als die Referenzspannung aufweist, so dass „positive” Anschlüsse angezeigt werden, und ein Anschluss eine geringere Spannung als die Referenzspannung aufweist, so dass „negative” Anschlüsse angezeigt werden, und dass deshalb die beiden Hochspannungsanschlüsse und die beiden Niedrigspannungsanschlüsse verbunden werden können. Der Strom fließt, sobald die entsprechende Relaisvorrichtung geschlossen wird. Die Relaisvorrichtung ist vorzugsweise eine Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), der mit einer Serienanordnung von Photodioden, die ein MOSFET-gate-Schließ-Potential entwickeln, wenn der Dekodierer-Ausgang eine LED zum Leuchten bewirkt.
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US 5,795,182 , erteilt am 18. August 1998, offenbart einen polungsunabhängigen Satz von Batteriestarthilfekabeln, um eine erste Batterie mit einer zweiten Batterie zu überbrücken. Die Vorrichtung weist einen Detektor der relativen Polung auf, um zu detektieren, ob zwei Batterien über Kreuz oder parallel angeordnet sind. Ein Drei-Punkt-Hochspannungskapazitätsquerriegeldrehschalter reagiert auf den Detektor der relativen Polung zum automatischen Verbinden des Plus-Anschlusses der beiden Batterien miteinander und der Minus-Anschlüsse der beiden Batterien miteinander, ungeachtet dessen, ob die detektierte Anordnung über Kreuz oder parallel ist, und ein Unterstrom-Detektor und eine Verzögerungsschaltung zum Zurücksetzen der Vorrichtung in ihren Anfangs- und nicht angeschlossenen Zustand, nachdem die Vorrichtung von einer der Batterien getrennt wurde. Der Querriegeldrehschalter weist zwei Kontaktpaare und einen Dreharm auf, der sich um zwei getrennte Punkte dreht, um vollen elektrischen Kontakt zwischen den Kontaktpaaren zu sichern. Die Erfindung kann auch verwendet werden, um eine Batterieladevorrichtung herzustellen, die mit einer Batterie ungeachtet der Batteriepolung verbunden werden kann.
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US 6,262,492 , erteilt am 17. Juli 2001, offenbart ein Autobatteriestarterkabel zur passenden Kopplung einer effektiven Spannungsquelle an eine fehlerhafte oder ungeladene Batterie, die eine Relaisschaltungsstromkreis aufweist, welcher mit der Spannungsquelle und der Batterie durch zwei Stromleitungspaare verbunden ist. Erste und zweite Spannungspolungserkennungsschaltungen werden jeweils mit der Spannungsquelle und der Batterie durch ein entsprechendes Spannungsleitungspaar verbunden, um die Polung der Spannungsquelle und der Batterie zu erkennen. Eine Logikerkennungsschaltung erzeugt ein Steuersignal, das abhängig von der Polung der Spannungsquelle und der Batterie ist, und eine Treiberschaltung, die durch ein Steuersignal des Logikerkennungsschaltung gesteuert wird, steuert den Relaisschaltungsstromkreis an, so dass das genaue Koppeln der beiden Pole der Spannungsquelle an die beiden Pole der Batterie ermöglicht wird.
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US 5,635,817 , erteilt am 3. Juni 1997, offenbart eine Fahrzeugbatterie-Ladevorrichtung, die ein Steuergehäuse aufweist, das Kabel enthält und, die eine Strombegrenzungsvorrichtung zum Verhindern des Überschreitens eines vorbestimmten maximalen Ladestroms von ungefähr 40 bis 60 A enthält. Das Steuergehäuse weist eine Polungsdetektionsvorrichtung zur Überprüfung der passenden Polung der Verbindung der Anschlüsse der beiden Batterien und zur elektrischen Trennung der beiden Batterien im Falle des Vorliegens einer falschen Polung auf.
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US 8,199,024 , erteilt am 12. Juni 2012, offenbart eine Sicherheitsschaltung in einem Niedrigspannungsverbindungssystem, das die beiden Niedrigspannungssysteme getrennt lässt, bis es bestimmt, dass es sicher ist, eine Verbindung aufzubauen. Wenn die Sicherheitsschaltung bestimmt, dass keine unsicheren Bedingungen vorliegen, und dass es sicher ist, die beiden Niedrigspannungssysteme zu verbinden, kann die Sicherheitsschaltung die beiden Niedrigspannungssysteme durch einen „sanften Start” verbinden, der eine Verbindung zwischen den beiden Systemen über eine Zeitdauer bereitstellt, die induzierte Spannungsspitzen auf einem oder mehreren der Niedrigspannungssysteme reduziert oder verhindert. Wenn in einem der Niedrigspannungssysteme eine vollständig entladene Batterie eingebaut ist, wird ein Verfahren für die Detektion der passenden Polung der Verbindungen zwischen den Niedrigspannungssystemen verwendet. Die Bestimmung der Polung der entladenen Batterie erfolgt durch das Durchschicken von einem oder mehreren Testströmen durch die entladene Batterie und durch die Bestimmung, ob ein entsprechender Spannungsanstieg beobachtet wird.
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US 5,793,185 , erteilt am 11. August 1998, offenbart eine tragbare Starthilfevorrichtung, die Steuerkomponenten und Schaltungen zur Verhinderung von Überladung und falscher Verbindung von Batterien aufweist.
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Während der Stand der Technik Lösungen für die obengenannten Probleme, wie oben diskutiert, vorschlägt, leidet jede der Lösungen des Stands der Technik an anderen Defiziten, entweder in Bezug auf Komplexität, Kosten oder die Anfälligkeit für Fehlfunktionen. Folglich existiert ein Bedarf in diesem technischen Gebiet nach weiteren Verbesserungen für Starthilfevorrichtungen von Fahrzeugen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung, wird eine Vorrichtung zur Starthilfe eines Fahrzeugmotors bereitgestellt, die Folgendes aufweist: eine interne Spannungsversorgung; einen positiv und negativ gepolte Ausgänge aufweisenden Ausgangsanschluss; einen Fahrzeugbatterie-Isolationssensor, der mit den positiv und negativ gepolten Ausgängen in einer Schaltung verbunden ist und zur Detektion des Vorhandenseins einer Fahrzeugbatterie konfiguriert ist, die zwischen den positiv und negativ gepolten Ausgängen angeschlossen ist; einen Verpolungssensor, der in einer Schaltung mit den positiv und negativ gepolten Ausgängen verbunden ist und zur Detektion der Polarität einer Fahrzeugbatterie konfiguriert ist, die zwischen den positiv und negativ gepolten Ausgängen angeschlossen ist; einen Spannungs-FET-Schalter, der zwischen der internen Spannungsversorgung und dem Ausgangsanschluss angeschlossen ist; und ein Mikrocontroller, der zum Empfangen von Eingabesignalen vom Fahrzeug-Isolationssensor und Verpolungssensor und zum Bereitstellen eines Ausgabesignals an den Spannungs-FET-Schalter so konfiguriert ist, dass der Spannungs-FET-Schalter als Antwort auf Signale der Sensoren, die das Vorhandensein einer Fahrzeugbatterie am Ausgangsanschluss und die passende Polverbindung von positiven und negativen Anschlüssen der Fahrzeugbatterie mit positiv und negativ gepolten Ausgängen anzeigen, eingeschaltet wird, um die interne Spannungsversorgung mit dem Ausgangsanschluss zu verbinden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, besteht die interne Spannungsversorgung aus einer wieder aufladbaren Lithiumionenbatterieeinheit.
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Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung, wird eine Starthilfekabelvorrichtung bereitgestellt, die einen Stecker aufweist, der zum Einstecken in einen Ausgangsanschluss einer tragbaren Vorrichtung zur Batterieladestarthilfe, die eine interne Spannungsversorgung aufweist, konfiguriert ist; ein Kabelpaar, an dessen jeweiligem einen Ende der Stecker integriert ist; wobei das Kabelpaar zum getrennten Anschließen an die Anschlüsse einer Batterie an dessen jeweiligem anderen Ende konfiguriert ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 stellt einen Funktionsplan einer tragbaren Vorrichtung zur Batteriestarthilfe von Fahrzeigen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung dar;
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2A–2C stellen schematische Schaltpläne einer beispielhaften Ausführungsform einer tragbaren Vorrichtung zur Batteriestarthilfe von Fahrzeugen gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung dar;
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3 stellt eine perspektivische Ansicht einer tragbaren Vorrichtung zur Starthilfe gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar; und
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4 stellt eine Draufsicht eines Starthilfekabels dar, das mit der tragbaren Vorrichtung zur Starthilfe gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung verwendbar ist.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 stellt einen Funktionsplan einer tragbaren Vorrichtung zur Batteriestarthilfe gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung dar. Das Herzstück der tragbaren Vorrichtung zur Batteriestarthilfe ist eine Lithiumpolymerbatterieeinheit 32, die genügend Energie speichert, um einem Fahrzeugmotor Starthilfe zu leisten, welcher von einer konventionellen 12 Volt Bleisäure- oder von einer durch ein Ventil regulierten Bleisäure-Batterie beliefert wird. In einer beispielhaften Ausführungsform weist eine Überspannungslithiumpolymerbatterieeinheit drei 3,7 V, 2666 mAh Lithiumpolymerbatterien in einer 3S1P-Konfiguration auf. Die sich ergebende Batterieeinheit liefert 11,1 V, 2666 Ah (8000 Ah bei 3,7 V, 29,6 Wh). Ein kontinuierlicher Entladungsstrom beträgt 25 C (oder 200 A), und eine Entladungsstromspitze beträgt 50 C (oder 400 A). Der maximale Ladungsstrom der Batterieeinheit beträgt 8000 mA (8 A).
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Eine programmierbare Mikrocontrollereinheit (MCU) 1 erhält verschiedene Eingaben und erzeugt Informations- als auch Steuerungsausgaben. Die programmierbare MCU 1 stellt ferner eine Flexibilität für das System bereit, in dem es Aktualisierungen der Funktionalität und der Systemparameter zulässt, ohne eine Änderung der Hardware zu benötigen. Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform wird ein 8-bit-Mikrocontroller mit einem 2K × 15-bit-Flash-Speicher verwendet, um das System zu steuern. Ein solcher Mikrocontroller ist HT67F30, der kommerziell bei Holtek Semiconductors Inc. erhältlich ist.
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Eine Autobatterie-Verpolungssensor 10 überwacht die Polung der Fahrzeugbatterie 72, wenn die tragbare Vorrichtung zur Batteriestarthilfe mit dem elektrischen System des Fahrzeugs verbunden wird. Wie unten erklärt, verhindert die Starthilfevorrichtung, dass die Lithiumbatterieeinheit mit der Fahrzeugbatterie 72 verbunden wird, wenn die Anschlüsse der Batterie 72 mit den falschen Anschlüssen der Starthilfevorrichtung verbunden sind. Ein Autobatterie-Isolationssensor 12 detektiert, ob ein eine Fahrzeugbatterie 72 mit der Starthilfevorrichtung verbunden ist oder nicht, und verhindert, dass die Lithiumbatterieeinheit mit den Ausgangsanschlüssen der Starthilfevorrichtung verbunden wird, es sei denn, dass eine gute (z. B. aufladbare) Batterie an die Ausgangsanschlüsse angeschlossen ist.
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Ein smart-switch-FET-Schaltung 15 schaltet die Lithiumbatterie der tragbaren Vorrichtung zur Batteriestarthilfe elektrisch an das elektrische System des Fahrzeugs, nur wenn bestimmt wird, dass die Fahrzeugbatterie durch die MCU 1 als vorhanden erfasst wird (als Antwort auf ein von einem Isolationssensor 12 bereitgestelltes Detektionssignal) und mit der passenden Polung angeschlossen ist (als Antwort auf ein von einem Verpolungssensor 10 bereitgestelltes Detektionssignal). Ein Lithiumbatterie-Temperatursensor 20 überwacht die Temperatur der Lithiumbatterieeinheit 32, um eine Überhitzung aufgrund von hohen Umgebungstemperaturbedingungen und übermäßiger Stromaufnahme während des Starthilfevorgangs zu detektieren. Eine Lithiumbatterie-Spannungsmessungsschaltung 24 überwacht die Spannung der Lithiumbatterieeinheit 32, um das Spannungspotential daran zu hindern, während eines Ladevorgangs zu hoch zusteigen, und während eines Entladevorgangs zu tief zu fallen.
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Lithiumbatterie-Rückladungsschutzdioden 28 verhindern, dass irgendein Ladungsstrom, der an die Fahrzeugbatterie 72 geliefert wird, vom elektrischen System des Fahrzeugs in die Lithiumbatterieeinheit 32 zurückfließt. Eine Blitzlicht-LED-Schaltung 36 wird bereitgestellt, um eine Blitzlicht-Funktion zur Verstärkung des Lichts unter der Fahrzeughaube bei dunklen Bedingungen zu liefern, sowie SOS- und Stroboskoplichtfunktionen aus Sicherheitsgründen bereitzustellen, wenn ein Fahrzeug an einem potentiell gefährlichen Ort fahruntauglich wird. Ein Spannungsregler 42 stellt eine Regulierung der internen Betriebsspannung für den Mikrocontroller und die Sensoren bereit. Ein manueller Modus- und Blitzlicht-Ein/Aus-Schalter 46 erlauben es dem Nutzer, das Einschalten der tragbaren Vorrichtung zur Batterieladestarthilfe zu steuern, um den manuellen Starthilfebetrieb zu steuern, wenn das Fahrzeug keine Batterie aufweist, und die Blitzlichtfunktion zu steuern. Der manuelle Knopf funktioniert nur, wenn die Starthilfevorrichtung eingeschaltet ist. Dieser Knopf erlaubt es dem Nutzer, Fahrzeugen Starthilfe zu leisten, denen entweder eine Batterie fehlt, oder deren Batteriespannung so niedrig ist, dass eine automatische Detektion durch die MCU nicht möglich ist. Wenn der Nutzer den manuellen Starthilfeknopf drückt und für eine vorbestimmte Zeit (wie z. B. drei Sekunden) gedrückt hält, um eine ungewollte Betätigung des manuellen Modus zu verhindern, wird die Spannung der internen Lithiumionenbatterie auf den Fahrzeugbatterie-Verbindungsanschluss geschaltet. Die einzige Ausnahme zum manuellen Starthilfebetrieb erfolgt, wenn die Autobatterie verpolt wurde. Wenn die Autobatterie verpolt wurde, sollte die Spannung der internen Lithiumbatterie niemals auf den Fahrzeugbatterie-Verbindungsanschluss geschaltet werden.
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Eine USB-Ladeschaltung 52 wandelt eine Spannung von irgendeiner der USB-Ladespannungsquellen um, so dass Spannung und Strom zum Laden der Lithiumbatterieeinheit 32 geladen werden. Ein USB-Ausgang 56 stellt eine tragbare USB-Ladevorrichtung zum Laden von Smartphones, Tablet-Computern (im Folgenden Tablet genannt) und weiteren wieder aufladbaren elektronischen Vorrichtungen bereit. LEDs zur Betriebszustandsanzeige 60 stellen eine visuelle Anzeige des Lithiumbatterie-Kapazitätsstatus sowie eine Anzeige des Aktivierungsstatus des smart-switchs dar (die anzeigt, dass dem elektrischen System eine Spannung bereitgestellt wird).
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Ein detaillierter Betrieb der tragbaren Starthilfevorrichtung wird nun gemäß den schematischen Diagrammen der 2A bis 2C beschrieben werden. Wie in 2A gezeigt, stellt die Mikrocontrollereinheit 1 das Zentrum aller Ein- und Ausgänge dar. Der Batterie-Verpolungssensor 10 umfasst einen optisch gekoppelten Isolationsphototransistor (4N27), der mit den Anschlüssen der Fahrzeugbatterie 72 an den Eingangspins 1 und 2 mit einer Diode D8 im Leiterdraht des Pins 1 (der am negativen Anschluss CB– angeschlossen ist), so dass, falls die Batterie 72 mit den Anschlüssen der Starthilfevorrichtung mit passender Polung verbunden ist, die LED des optischen Kopplers 11 keinen Strom leiten wird, und deshalb ausgeschaltet wird, wobei der MCU 1 eine „1” oder ein hohes Ausgabesignal bereitgestellt wird. Der Autobatterie-Isolationssensor 12 umfasst einen optisch gekoppelten Isolationsphototransistor (4N27), der mit den Anschlüssen der Fahrzeugbatterie 72 an den Eingangspins 1 und 2 mit einer Diode D7 im Leitungsdraht des Pins 1 (angeschlossen an den positiven Anschluss CB+) verbunden ist, so dass, falls die Batterie 72 an die Anschlüsse der Starthilfevorrichtung mit der passenden Polung verbunden ist, die LED des optischen Kopplers 11A einen Strom leiten wird, und deshalb eingeschaltet wird, wobei der MCU eine „0” oder ein niedriges Ausgabesignal bereitgestellt wird, und das Vorhandensein einer Batterie über die Starthilfeausgangsanschlüsse der tragbaren Starthilfevorrichtung anzeigt.
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Falls die Autobatterie 72 mit der tragbaren Starthilfevorrichtung verpolt verbunden ist, wird die LED des optischen Kopplers 11 des Verpolungssensors 10 den Strom leiten, wobei der Mikrocontrollereinheit 1 eine „0” oder ein niedriges Signal bereitgestellt wird. Ferner, falls keine Batterie mit der tragbaren Starthilfevorrichtung verbunden ist, wird die LED des optischen Kopplers 11A des Isolationssensors 12 keinen Strom leiten und wird deshalb ausgeschaltet, wobei der MCU eine „1” oder ein hohes Ausgabesignal bereitgestellt wird, das die Abwesenheit irgendeiner mit der tragbaren Starthilfevorrichtung verbundener Batterie anzeigt. Unter Verwendung dieser spezifischen Eingaben kann die Mikrocontrollersoftware der MCU 1 bestimmen, wann es sicher ist, den smart-switch-FET 15 einzuschalten, wodurch die Lithiumbatterieeinheit mit den Starthilfeanschlüssen der Starthilfevorrichtung verbunden wird. Folglich kann die MCU 1 den smart-switch-FET-Schaltung 15 davor bewahren, eingeschaltet zu werden und somit das Erzeugen von Funken/Kurzschlüssen der Lithiumbatterieeinheit verhindert werden, wenn die Autobatterie 72 entweder überhaupt nicht mit der Starthilfevorrichtung verbunden ist oder verpolt verbunden ist.
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Wie in 2B gezeigt, wird der smart-switch-FET 15 durch eine Mikrocontrollerausgabe 1 angesteuert. Der FET-smart-switch 15 weist drei FETs (Q15, Q18 und Q19) in Parallelschaltung auf, die die Spannung der Lithiumbatterieeinheit auf die FETs verteilt. Wenn diese Mikrocontrollerausgabe in einen logisch niedrigen Zustand gesteuert wird, befinden sich die FETs 16 alle in einem Hochwiderstandszustand, weswegen kein Stromfluss vom negativen Kontakt 17 der internen Lithiumbatterie zum negativen Kontakt der Autobatterie 72 zugelassen wird. Wenn die Mikrocontrollerausgabe in einen logisch hohen Zustand gesteuert wird, sind die FETs 16 (Q15, Q18, Q19) in einem Niedrigwiderstandszustand, der einen freien Stromfluss vom negativen Kontakt 17 (LB–) der internen Lithiumbatterieeinheit zum negativen Kontakt (CB–) der Autobatterie 72 zulässt. Auf diese Art steuert die Mikrocontrollersoftware die Verbindung der internen Lithiumbatterieeinheit 32 mit der Fahrzeugbatterie 72, um dem Fahrzeugmotor Starthilfe zu leisten.
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Gemäß 2A, kann die Spannung der internen Lithiumbatterieeinheit unter Verwendung der Schaltung 24 und einem der Analog-zu-Digital-Eingänge des Mikrocontrollers 1 präzise gemessen werden. Die Schaltung 24 ist vorgesehen, um zu erfassen, wann die Spannung des Haupt-3,3 V-Reglers 42 eingeschaltet ist und den Transistor 23 einzuschalten, wenn die Spannung des Reglers 42 eingeschaltet ist. Wenn der Transistor 23 leitet, schaltet er den FET 22 ein, womit dem positiven Kontakt (LB+) der internen Lithiumbatterie ein leitender Pfad zu einem Spannungsteiler 21 bereitgestellt wird, der es zulässt, der Mikrocontroller einen niedrigeren Spannungsbereich zum Einlesen zuzuführen. Durch Verwendung dieser Eingabe kann die Mikrocontrollersoftware bestimmen, ob die Lithiumbatteriespannung während des Entladevorgangs zu niedrig oder während des Aufladevorgangs zu hoch ist, und sie kann eine entsprechende Maßnahme zur Verhinderung der Beschädigung der elektronischen Komponenten unternehmen.
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Weiterhin kann gemäß 2A durch zwei Vorrichtungen 20 mit negativem Temperaturkoeffizienten (NTC) die Temperatur der internen Lithiumbatterieeinheit 32 präzise gemessen werden. Dies sind Vorrichtungen, die ihren Widerstand verringern, wenn ihre Temperatur steigt. Die Schaltung stellt einen Spannungsteiler dar, der das Ergebnis den beiden Analog-zu Digital-(A/D)-Eingänge dem Mikrocontroller zuführt. Die Mikrocontrollersoftware kann dann bestimmen, wann die interne Lithiumbatterie zu heiß ist, um einen Starthilfevorgang zuzulassen, wodurch der Aufbau Betriebssicherheit erhält.
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Die Hauptspannungsreglersschaltung 42 ist so gestaltet, dass die Spannung der internen Lithiumbatterie in einen geregelten Wert von 3,3 V umgewandelt wird, der vom Mikrocontroller 1 sowie von anderen Komponenten der Starthilfevorrichtung für die interne Betriebsspannung verwendet wird. Drei Lithiumbatterie-Rückaufladungs-(back-charging)-Schutzdioden 28 (siehe 2B) werden eingesetzt, um den Stromfluss nur von der internen Lithiumbatterieeinheit 32 zur Autobatterie 72 zuzulassen, und nicht von der Autobatterie zur internen Lithiumbatterie. Auf diese Art kann, falls das elektrische System des Autos von seiner Lichtmaschine geladen wird, die interne Lithiumbatterie nicht rückaufladen (und hierbei beschädigt werden), was eine weitere Stufe der Betriebssicherheit bereitstellt.
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Der Hauptspannungseinschalter 46 (2A) ist eine Kombination, die einen Doppelpol- oder Zweiwegebetrieb zulässt, so dass das Produkt mit einem Drücken eingeschaltet werden kann, wenn es sich im Aus-Zustand befindet, oder ausgeschaltet werden kann, wenn es sich im Ein-Zustand befindet. Diese Schaltung verwendet auch einen Mikrocontrollerausgang 47, um die Spannung aufrecht zu erhalten, wenn die Schaltung durch den Ein-Schalter aktiviert wurde. Wenn der Schalter gedrückt wird, schiebt der Mikrocontroller diesen Ausgang auf eine Hochlogikstufe, um die Spannung „am Leben” zu erhalten, wenn der Schalter losgelassen wird. Auf diese Art behält der Mikrocontroller die Kontrolle, wenn die Spannung ausgeschaltet wird, wenn der Ein-/Aus-Schalter wieder aktiviert wird, oder wenn die Lithiumbatteriespannung zu niedrig wird. Die Mikrocontrollersoftware weist auch einen Zeitschalter auf, der die Spannung nach einer vorbestimmten Zeitdauer (wie z. B. 8 Stunden) bei Nichtverwendung ausschaltet.
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Die Blitzlicht-LED-Schaltung 45, die in 2B gezeigt wird, steuert den Betrieb der Blitzlicht-LEDs. Zwei Ausgänge des Mikrocontrollers 1 sind den beiden separaten LEDs zugeordnet. Daher können die LEDs zur Ausbildung von Stroboskopen und SOS-Mustern unabhängig software-gesteuert werden, was der Starthilfevorrichtung noch ein weiteres Sicherheitsmerkmal hinzugefügt. LED-Anzeigen geben dem Betreiber die Rückmeldung, die dieser braucht, um zu verstehen, was mit dem Produkt passiert. Vier separate LEDs 61 (2A) werden durch entsprechende einzelne Ausgänge des Mikrocontrollers 1 gesteuert, um eine Anzeige der verbleibenden Kapazität der internen Lithiumbatterie bereitzustellen. Diese LEDs werden in einem Format vergleichbar dem einer „Kraftstoffanzeige” mit 25%-, 50%-, 75%- und 100%-(rot, rot, gelb, grün)-Kapazitätsanzeigen gesteuert. Eine LED-Anzeige 63 (2B) gibt dem Benutzer eine visuelle Warnung, wenn die Fahrzeugbatterie 72 verpolt angeschlossen worden ist. Starthilfe- und Ein-/Aus-LEDs 62 stellen jeweils visuelle Anzeigen bereit, wenn die Starthilfevorrichtung Starthilfespannung bereitstellt, und wenn die Starthilfevorrichtung eingeschaltet wird.
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Eine USB-Ausgangsschaltung 56 (2C) weist einen USB-Ausgang auf, zum Laden von tragbaren elektronischen Vorrichtungen, wie z. B. Smartphones durch die interne Lithiumbatterieeinheit 32. Eine Steuerschaltung 57 des Mikrocontrollers 1 lässt es zu, den USB-Ausgang 56 durch die Softwaresteuerung ein- oder auszuschalten, um zu verhindern, dass die interne Lithiumbatterie eine zu niedrige Kapazität erreicht. Die USB-Ausgabe wird mittels einer Standard-USB-Verbindung 58 an das Äußere der Vorrichtung geführt, wobei die Standard-USB-Verbindung 58 den erforderlichen Standardspannungsteiler aufweist, um es zu ermöglichen, Smartphones eine bestimmte Spannung zuzuführen, die sie benötigenden.
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Die USB-Ladeschaltung 52 lässt es zu, dass die interne Batterieeinheit 32 durch eine Standard-USB-Ladevorrichtung geladen wird. Dieser Spannungseingang verwendet eine Standard-Mikro-USB-Verbindung 48, die es erlaubt, Standardkabel zu verwenden. Das von der Standard-USB-Ladevorrichtung bereitgestellte Potential von 5 V wird in 12,4 V DC-Spannung hochgewandelt, das zum Laden der internen Lithiumbatterieeinheit unter Verwendung eines DC-DC-Konverters 49 benötigt wird. Der DC-DC-Konverter 49 kann durch die Schaltung 53 mittels eines Mikrocontrollerausgangs 1 ein- und ausgeschaltet werden.
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Auf diese Art kann die Mikrocontrollersoftware den Ladevorgang ausschalten, falls die Batteriespannung durch den A/D-Eingang 22 als zu hoch bestimmt worden ist. Zusätzliche Betriebssicherheit wird zur Abhilfe der Beseitigung von Überladung der internen Lithiumbatterie durch Verwendung einer Lithiumbatterie-Ladesteuerung 50 bereitgestellt, die einen Ladungsausgleich der internen Lithiumbatteriezellen 51 bereitstellt. Diese Steuerung stellt auch eine redundante Betriebssicherheit zur Beseitigung von Überladung der internen Lithiumbatterie bereit.
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3 stellt eine perspektivische Ansicht einer tragbaren Vorrichtung 300 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung dar. 301 ist ein Spannungseinschalter. 302 zeigt die LED-„Kraftstoff”-Anzeigen 61. 303 zeigt einen 12 V-Ausgangsanschluss, der mit einer weiter unten beschriebenen Kabelvorrichtung 400 verbindbar ist. 304 zeigt einen Blitzlichtsteuerungsschalter zum Aktivieren der Blitzlicht-LEDs 45. 305 stellt einen USB-Eingangsanschluss zum Laden der internen Lithiumbatterie dar, und 306 ist ein USB-Ausgangsanschluss, um anderen tragbaren Vorrichtungen, wie z. B. Smartphones, Tablets, Musikspieler, usw., Ladung durch die Lithiumbatterie bereitzustellen. 307 stellt eine „Starthilfe-Ein”-Anzeige dar, die anzeigt, dass die Spannung dem 12 V-Ausgangsanschluss bereitgestellt wird. 308 stellt eine Verpolungsanzeige dar, die anzeigt, dass die Fahrzeugbatterie in Bezug auf die Polung falsch verbunden ist. 309 stellt eine „Spannung-Ein”-Anzeige dar, die anzeigt, dass die Vorrichtung für den Betrieb hochgefahren ist.
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4 zeigt eine Starthilfekabelvorrichtung 400, die insbesondere für eine Verwendung mit der tragbaren Vorrichtung 300 ausgestaltet ist. Die Vorrichtung 400 weist einen Stecker 401 auf, der so gestaltet ist, dass er in den 12 V-Ausgangsanschluss 303 der tragbaren Vorrichtung 300 einsteckt werden kann. Der Stecker 401 ist in einem Kabelpaar 402a und 402b integriert, und die Kabel sind jeweils mit den Batterieanschlussklemmen 403a und 403b mittels Ringanschlüssen 404a und 404b verbunden. Der Anschluss 303 und der Stecker 401 können so dimensioniert werden, dass der Stecker 401 nur in den Anschluss 303 in einer bestimmten Orientierung passt, wodurch gesichert ist, dass die Klemme 403a einer positiven Polung entsprechen wird, und die Klemme 403b einer negativen Polung entsprechen wird, wie darauf angegeben. Zusätzlich können die Ringanschlüsse 404a und 404b von den Klemmen getrennt werden und direkt mit den Anschlüssen der Fahrzeugbatterie verbunden werden. Dieses Merkmal kann nützlich sein, um beispielsweise die Kabel 402a bis 402b dauerhaft mit der Fahrzeugbatterie zu verbinden. Im Falle einer Erschöpfung der Batteriespannung könnte die tragbare Starthilfevorrichtung 300 durch Einstecken des Steckers 401 in den Anschluss 303 in sehr einfacher Weise passend mit der Batterie verbunden werden.
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Die Erfindung, die auf diese Weise beschrieben wurde, wird dem Fachmann ersichtlich sein, so dass diese in vielen Arten variiert werden kann, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Jede und alle solche Variationen werden innerhalb des Umfangs der folgenden Ansprüche erfasst.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6212054 [0003]
- US 6632103 [0004]
- US 8493021 [0005]
- US 5189359 [0006]
- US 5795182 [0007]
- US 6262492 [0008]
- US 5635817 [0009]
- US 8199024 [0010]
- US 5793185 [0011]
