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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Elektro-Fahrzeugs, insbesondere eines Leicht-Elektrofahrzeugs wie ein E-Bike oder dergleichen.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zum Betreiben eines Elektro-Fahrzeugs, insbesondere eines Leicht-Elektrofahrzeugs wie ein E-Bike oder dergleichen.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein System zum Betreiben eines Elektro-Fahrzeugs, insbesondere eines Leicht-Elektrofahrzeugs wie ein E-Bike oder dergleichen.
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Obwohl die vorliegende Erfindung auf beliebige Elektrofahrzeuge anwendbar ist, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf Elektrofahrzeuge in Form von E-Bikes erläutert.
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E-Bikes weisen üblicherweise eine Batterie auf, mit der eine Last, beispielsweise ein Elektromotor mit elektrischer Energie versorgt wird. Um eine sichere Funktion einer Batterie mit Sekundärelementen, z.B. einer Li-Ionen Batterie, zu gewährleisten wird zur Überwachung des Lade- und Entladevorgangs üblicherweise ein Batterie Management System - BMS - eingesetzt. Das BMS umfasst dabei typischerweise die funktionalen Blöcke „Input“ mit Sensorik für Strom, Spannung, etc. „Output“ mit Leistungselektronik bspw. in Form von Transistoren, Relais oder dergleichen und „Logik“ für die Datenverarbeitung, Steuerung und Kommunikation in Form von bspw. Mikrocontroller, FPGA oder dergleichen. Eine weitere Funktion des Batterie Management Systems ist die Begrenzung des Ladestroms, auch Anlaufstrom genannt, mit welchem die Batterie einen externen Zwischenkreiskondensator zur Pufferung der Spannung für die Last auflädt.
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Üblicherweise wird die Begrenzung des Ladestroms durch einen oder mehrere zuschaltbare Leistungswiderstande realisiert. In der
KR 2008 0018540 A ist eine Steuerung eines Ladestromes mittels eines p-Kanal MOSFETs beschrieben. Dabei fließt ein linear ansteigender Ladestrom durch den p-Kanal MOSFET, wobei durch den p-Kanal-MOSFET entsprechend Leistungswiderstände zugeschaltet werden, um die Größe des Ladestroms zu begrenzen.
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In einer Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Elektrofahrzeugs, insbesondere eines Leicht-Elektrofahrzeug wie ein E-Bike oder dergleichen bereit, wobei ein Ladestrom einer Batterie zum Aufladen eines elektrischen Zwischenenergiespeichers mittels zumindest einem als variablen Widerstand ausgebildeten MOSFET geregelt wird.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung eine Vorrichtung zum Betreiben eines Elektro-Fahrzeugs, insbesondere eines Leicht-Elektrofahrzeugs wie ein E-Bike oder dergleichen bereit, umfassend zumindest einen MOSFET, der zwischen Batterie und einer Last geschaltet ist und der als variabler Widerstand zur Regelung eines Ladestroms einer Batterie für einen elektrischen Energiespeicher mittels einer Regelungseinrichtung, insbesondere in Form eines Mikrocontrollers regelbar ist.
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In einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung ein System zum Betreiben eines Elektro-Fahrzeugs, insbesondere eines Leicht-Elektrofahrzeugs wie ein E-Bike oder dergleichen bereit, umfassend eine Batterie, zumindest einen, insbesondere zwei, MOSFETs, einen elektrischen Zwischenenergiespeicher und eine Last, wobei der zumindest eine MOSFET als regelbarer Widerstand zur Regelung eines Ladestroms der Batterie für den elektrischen Zwischenenergiespeicher mittels einer Regelungseinrichtung, insbesondere in Form eines Mikrocontrollers, ausgebildet ist.
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Mit anderen Worten kann insbesondere durch Regelung der Gate-Source-Spannung des MOSFET dessen Strom-Spannungsabhängigkeit bzw. dessen Leitfähigkeit beeinflusst werden, was zur Regelung, insbesondere zur Begrenzung des Ladestroms, genutzt werden kann; der MOSFET wirkt daher im Wesentlichen als variabler und regelbarer Widerstand.
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Der Begriff „Zwischenenergiespeicher“ ist im weitesten Sinne zu verstehen und umfasst nicht nur nebengeordnete Energiespeicher, Energiespeicher zur Pufferung oder dergleichen, sondern jegliche Art von Energiespeichern. Ein Beispiel für einen elektrischen Zwischenenergiespeicher ist ein Kondensator.
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Einer der erzielten Vorteile ist, dass durch die Verwendung von einem MOSFET als variablem Widerstand keine weiteren Bauteile zur Anlaufstrom- bzw. Ladestrombegrenzung benötigt werden, wie beispielsweise ein schaltbarer Widerstand oder dergleichen. Darüber hinaus wird die Sicherheit erhöht, denn ein „hartes“ Durchschalten des zumindest einen MOSFET würde zu einer hohen Stromspitze führen, welche den zumindest einen MOSFET und die Batterie schädigen könnten. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Ausführungsformen robust gegenüber einem dauerhaft anliegenden Kurzschluss sind. Darüber hinaus ist ein Vorteil, dass durch die Regelung des Anlaufstromes der MOSFET effizient betrieben werden kann, denn dieser lässt sich damit innerhalb seiner Spezifikation betreiben, insbesondere sowohl hinsichtlich eines sicheren Betriebs, also innerhalb der „Safe Operating Area“, als auch hinsichtlich seiner thermischen Belastbarkeit. Einer der weiter erzielten Vorteile ist, dass der erforderliche Bauraum beispielsweise auf einer Platine sinkt, weil keine Vorladepfade, umfassend einen Leistungswiderstand und Schalter benötigt werden.
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Weitere Merkmale, Vorteile und weitere Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden beschrieben oder dadurch offenbar:
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird der zumindest eine MOSFET als ein n-Kanal MOSFET ausgebildet. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass insbesondere bereits vorhandene n-Kanal MOSFETs verwendet werden können und so keine weiteren Bauteile zur Regelung, insbesondere Begrenzung des Anlauf- bzw. Ladestroms für den elektrischen Zwischenenergiespeicher benötigt werden, wie beispielsweise ein schaltbarer Widerstand oder dergleichen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird mittels einer Ladungspumpe eine Gate-Source-Spannung des zumindest einen MOSFET geregelt. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass n-Kanal MOSFET verwendet werden können, welche einen niedrigeren Drain-Source-Widerstand bei gleichem Bauraum besitzen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird mittels der Ladungspumpe eine Gate-Source-Spannung oberhalb der Batterie-Spannung erzeugt. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass n-Kanal MOSFETs im Plus-Pfad/High-Side durchgeschaltet werden können.
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Gemäß einer weiter bevorzugten Weiterbildung wird mittels zweier MOSFET die Richtung des Stromflusses geregelt. Damit kann auf einfache und flexible Weise die Stromrichtung geregelt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird mittels einer Steuereinrichtung eine Stromstärke auf Basis eines Spannungsabfalls über einem Shunt ermittelt, wobei mittels der Steuereinrichtung die Ladungspumpe auf Basis der ermittelten Stromstärke geregelt wird. Damit lässt sich zum Einen auf einfache Weise eine Spannung, beispielsweise der Batterie, und/oder eine Ausgangsspannung messen. Zum Anderen kann damit auf zuverlässige Weise der MOSFET als variabler Widerstand anhand der Ladungspumpe mittels der Steuereinrichtung geregelt werden, um den Ladestrom zu regeln, insbesondere zu begrenzen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen, und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
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Dabei zeigt in schematischer Form
- 1 ein Blockschaltbild eines Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt ein Blockschaltbild eines Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In 1 ist in schematischer Form ein Teil eines Batterie-Management-Systems, kurz BMS, gezeigt, welches zur Regelung eines Ladestroms eines Zwischenkreiskondensators 7 verwendet wird. Die Batterie 5 wird dazu verwendet, eine Last 8 zu ermöglichen, wird der Zwischenkreiskondensator 7 verwendet, welcher parallel zur Last 8 geschaltet ist. Weiterhin sind zwei n-Kanal MOSFETs 1, 2 in Serie zwischen Batterie 5 und Last 8 geschaltet und werden einerseits als Schalter verwendet, um den Stromfluss in beide Richtungen unterbrechen zu können. Andererseits wird der erste MOSFET 1 zur Regelung des Anlauf- bzw. Ladestroms als variabler Widerstand verwendet, also derjenige MOSFET, der zwischen Batterie 5 und weiterem MOSFET 2 geschaltet ist.
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Die Leitfähigkeit der beiden MOSFETs 1, 2 wird durch die an ihnen jeweils anliegende Gate-Source-Spannung verändert. Zur Steuerung beider Spannungen ist eine gemeinsame Ladungspumpe 4 angeordnet, welche die Steuerspannung für die MOSFETs 1, 2 erzeugt, die höher als die Batteriespannung ist. Hierbei sind auch separate Ladungspumpen für jeden MOSFET 1, 2 möglich. Die gemeinsame Ladungspumpe 4 ermöglicht ein Durchschalten der beiden n-Kanal MOSFETs 1, 2 im Plus-Pfad / High-Side. Die Ladungspumpe 4 ist dabei so ausgebildet, dass die Gate-Source-Spannung in kleinen Schritten bzw. kleinen Stufen geändert werden kann, was eine präzise Einstellung bzw. Regelung des Ladestroms, für den Zwischenkreiskondensator 7 ermöglicht. Dabei hängt insbesondere die Anzahl der Schritte von einem Ladungspumpenwiderstand, der Stromflussdauer eines Pump- und Speicherkondensators der Ladungspumpe, vom Kapazitätsverhältnis zwischen Pump- und Speicherkondensator und den Kapazitätswerten von Pump- und Speicherkondensator ab und kann entsprechend durch entsprechende Wahl der Bauteile eingestellt werden. So kann die Gate-Source-Spannung beispielsweise in 1.000stel, 10.000stel, etc. Schritten innerhalb der Safe-Operating-Area des MOSFET 1, 2 geregelt werden. Um den Ladestrom zu messen, erfolgt eine Strommessung 6. Dies wird anhand eines Spannungsabfalls, also einer Spannungsmessung über einem Shunt, realisiert. Diese Spannung wird von einem Mikrocontroller 3 gemessen der diese in eine Stromstärke umrechnet.
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Um den Zustand des Systems gemäß 1 exakt zu erfassen, wird außerdem elektrische Spannung der Batterie 5 mit einer Spannungsmessung 9 und die des Ausgangs mit einer Spannungsmessung 10 gemessen. Anhand dieser Spannungsmessungen 9, 10 kann eine Verlustleistung des ersten n-Kanal MOSFETs 1 aus der Differenz zwischen Batterie- und Ausgangspannung und dem fließenden Ladestrom berechnet werden. Neben den oben beschriebenen Messfunktionen wird der Mikrocontroller 3 gemäß 1 auch zur Regelung des Ladestroms verwendet. In Abhängigkeit des Ladezustands des Zwischenkreiskondensators 7 wird der gewünschte Strom, welcher durch die beiden n-Kanal MOSFETs 1, 2 fließen soll, über die Ladungspumpe 4 variabel eingestellt. Liegt im Fehlerfall anstelle der Last 8 oder des Zwischenkreiskondensators 7 ein Kurzschluss, also eine direkte Verbindung zwischen Ausgang und Batterie 5, vor, wird ein stabiler Strom bereitgestellt. Dabei wird, um die funktionale Sicherheit zu erhöhen, über den ersten n-Kanal MOSFET 1 eine konstante thermische Leistung gemäß der thermischen Spezifikation des Herstellers des MOSFET 1 abgeführt. Dies bedeutet, dass der n-Kanal MOSFET 1 auch im Dauerbetrieb nicht thermisch, also nicht durch entstehende Wärme elektrischer Verbindung zwischen Ausgang und Batterie 5, zerstört wird.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die beiden n-Kanal MOSFET auch so angeordnet sein, dass sie im Minus-Pfad/Low-Side schaltbar sind, also in der Low-Side angeordnet werden. Vorteil hiervon ist, dass die Ladungspumpe entfallen kann und die Ansteuerung der n-Kanal MOSFET einfacher, bspw. über resistive variable Spannungsteiler zur Einstellung der Gate-Source-Spannung erfolgen kann.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann einer oder beide n-Kanal MOSFET 1, 2 auch als sogenannte Smart-FETs ausgebildet sein, also mit weiteren Funktionen versehen sein, beispielsweise mit einer automatischen Abschaltung, wenn eine ermittelte Temperatur, beispielsweise eine Umgebungstemperatur oder eine Betriebstemperatur des MOSFET überschritten wird. Damit wird ein Überhitzen des Systems gemäß 1, insbesondere des MOSFET vermieden.
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In einer weiteren Ausführungsform sind auch andere Boost-Konverter, also Aufwärtswandler, anstelle der Ladungspumpe denkbar, beispielsweise anstelle einer kapazitiv wirkenden Ladungspumpe, einen induktiv wirkenden Aufwärtswandler, wobei hier eine Speicherdrossel als energieübertragendes Bauteil dient, einen SEPIC-Wandler oder dergleichen.
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Darüber hinaus ist In einer weiteren Ausführungsform auch möglich, anstelle einer im Wesentlichen software-basierten Anpassung der Stromstärke mittels des Mikrocontrollers eine hardware-basierte Regelung mittels eines oder mehreren Operationsverstärkern, etc. umfassenden Schaltung vorzunehmen, mithin also eine diskret aufgebaute Regelung des Stroms hierüber bereitzustellen; der Mikrocontroller kann dann entfallen.
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Zusammenfassend weist zumindest eine der Ausführungsformen zumindest einen der folgenden Vorteile auf:
- 1. Sind bereits n-Kanal MOSFETs vorhanden, werden keine weiteren Bauteile zur Anlaufstrombegrenzung benötigt, wie beispielsweise ein schaltbarer Widerstand oder dergleichen.
- 2. Dauerhafte Kurzschlussfestigkeit des Systems, wobei dann der MOSFET als „Quasi“-Stromquelle fungiert, da dieser in einem Bereich arbeitet, indem der Strom durch den MOSFET nur von der Gate-Source-Spannung abhängt.
- 3. Die Verwendung einer Ladungspumpe ermöglicht die Verwendung von n-Kanal MOSFETs, welche einen niedrigeren Drain-Source-Widerstand im Vergleich mit p-Kanal MOSFETs bei identischem Bauraum besitzen.
- 4. Durch die Regelung des Ladestromes ist es möglich, den zumindest einen MOSFET innerhalb seiner Spezifikationen zu betreiben, insbesondere in Bezug auf seinen sicheren Betriebsbereich, die „Safe Operating Area“, als auch in Bezug auf seine thermische Belastbarkeit.
- 5. Die variable Einstellung der Gate-Source-Spannung durch die Ladungspumpe ermöglicht eine flexible Einstellbarkeit des Ladestroms.
- 6. Der erforderliche Bauraum auf einer Platine sinkt aufgrund des nicht mehr benötigten Vorladepfads, umfassend Leistungswiderstand und Schalter.
- 7. Die funktionale Sicherheit wird durch die variable Regelbarkeit des Ladestroms weiter erhöht.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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