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Gebiet der Technik
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Die Erfindung betrifft eine Schaltung zur Verwendung an einer einen Akkumulator aufweisenden Vorrichtung zur wiederaufladbaren Speicherung und Abgabe elektrischer Energie, mit einem an dem Akkumulator anschließbaren Ladezweig, der den Akkumulator über mindestens einen Ladeschalter mit einem Ladekontakt, in den ein Ladestrom einspeisbar ist, elektrisch leitend verbindet, und mit einem am Akkumulator anschließbaren Entladezweig, der den Akkumulator über zumindest einen Entladeschalter mit einem Entladekontakt, aus dem ein Entladestrom entnehmbar ist, elektrisch leitend verbindet.
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Stand der Technik
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Vorrichtungen der oben beschriebenen Art dienen der netzspannungsunabhängigen Leistungsversorgung von Elektrogeräten, beispielsweise Haushaltsgeräten. Die Vorrichtung besitzt einen Akkumulator, in den elektrische Energie gespeichert wird, die über Entladekontakte an das zu versorgende Elektrogerät abgegeben werden kann. Zum Wiederaufladen des Akkumulators wird ein elektronisches Ladegerät verwendet, welches einen Massekontakt und einen Speisekontakt aufweist. Der Speisekontakt wird in elektrisch leitende Verbindung zum Ladekontakt der Vorrichtung gebracht, sodass nach Schließen von ein oder mehreren Ladetransistoren der Ladestrom in den Akkumulator strömen kann. Beim gattungsgemäßen Energiespeicher sind der Entladekontakt, über den das Elektrogerät mit elektrischer Leistung versorgt wird, und der Ladekontakt, über den der Akkumulator wieder aufgeladen wird, elektrisch voneinander getrennt. Der Ladekontakt ist mit einem Ladezweig und der Entladekontakt mit einem Entladezweig mit einem Pol des Akkumulators verbunden. Der andere Pol des Akkumulators ist mit einem Massekontakt verbunden. Der Entladezweig und der Ladezweig werden von einer vorrichtungsinternen Leiterbahn-Anordnung ausgebildet, wobei in den elektrisch leitenden Verbindungen zwischen Pol des Akkumulators und Ladekontakt oder Entladekontakt von Transistoren ausgebildete Schalter vorgesehen sind, um die elektrischen Verbindungen herzustellen oder zu trennen. In der Beladephase ist der mindestens eine Ladetransistor leitend und der Entladetransistor sperrend, sodass der Ladekontakt mit dem Akkumulator elektrisch verbunden ist, nicht jedoch der Entladekontakt. In der Entladephase ist der mindestens eine Entladetransistor mit dem Akkumulator elektrisch leitend verbunden und der mindestens eine Ladetransistor sperrend, sodass der Entladekontakt mit dem Akkumulator elektrisch verbunden ist, nicht jedoch der Ladekontakt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen anzugeben, mit denen vermieden wird, dass durch eine Fehlbestromung des Entladekontaktes ein den Akkumulator eventuell zerstörender Strom in den Akkumulator fließt.
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Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung, wobei die Unteransprüche nicht nur vorteilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Erfindung, sondern auch eigenständige Lösungen der Aufgabe darstellen.
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Zunächst und im Wesentlichen wird vorgeschlagen, dass mit einer Schutzschaltung zunächst erkannt wird, ob in den Entladekontakt eine Ladespannung eingespeist wird und dann verhindert wird, dass ein für die Funktionsfähigkeit des Akkumulators schädlicher Strom in den Akkumulator fließt. Die Schutzschaltung weist hierzu bevorzugt eine Messeinrichtung auf, mit der ein Beschaltungsfehler ermittelt werden kann. Der Beschaltungsfehler kann den Charakter eines Binärwertes besitzen. Liegt keine Fehlbeschaltung vor, ist der Wert des Beschaltungsfehlers 0. Liegt eine Fehlbeschaltung vor, beispielsweise dadurch, dass in den Entladekontakt ein Strom eingespeist wird oder am Entladezweig gegenüber Masse eine Spannung anliegt, die eine Schwellspannung überschreitet, so ist der Wert des Beschaltungsfehlers 1. Es kann eine Messeinrichtung vorgesehen sein, mit der ein in den Entladekontakt eingespeister Strom und/oder eine am Entladezweig anliegende Spannung gemessen werden kann. Mit der Messeinrichtung kann insbesondere die am Entladekontakt anliegende Spannung gemessen werden. Es kann insbesondere festgestellt werden, ob die dort anliegende Spannung größer ist, als die Akkumulatorspannung. Es ist aber auch möglich, im Entladezweig direkt einen Strom zu messen. Es kann ein Logikelement vorgesehen sein, welches aus einer Hardwarekomponente oder einer Softwarekomponente besteht und welches feststellen kann, ob einerseits ein Beschaltungsfehler vorliegt und andererseits ob der mindestens eine Ladeschalter geöffnet ist. Sind beide Zustände vorhanden, so wird bevorzugt eine Schutzeinrichtung aktiviert, mit der ein wesentlicher Teil des in den Entladekontakt eingespeisten Stroms zum Massekontakt abgeführt wird. Die Schutzschaltung bildet somit bevorzugt einen Kurzschließer aus, mit dem der Ladekontakt niederohmig mit dem Massekontakt verbunden wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist eine Akkumulatoranordnung, bei der in einem Gehäuse der die Akkumulatorzellen aufweisende Akkumulator und elektronische Steuereinrichtung angeordnet sind. Die elektronische Steuereinrichtung wird vom Akkumulator energieversorgt und ist in der Lage, den Ladeschalter, der vorzugsweise ein Transistor ist und den Entladeschalter, der vorzugsweise ebenfalls ein Transistor ist, zu schalten. Die Steuereinrichtung kann mit einer Signalleitung mit einem elektrischen Gerät verbunden sein, welches von der Akkumulatoranordnung mit elektrischer Leistung versorgt wird. Über die Signalleitung kann der Steuereinrichtung eine Information übermittelt werden, ob sich die Akkumulatoranordnung im Ladebetrieb befindet, bei dem in den Ladekontakt ein elektrischer Strom eingespeist werden soll, oder im Entladebetrieb befindet, bei dem über den Entladekontakt ein elektrischer Strom zum elektrischen Gerät fließen soll. Abhängig von diesen Informationen werden die Ladetransistoren oder Entladetransistoren geschaltet. Mit der erfindungsgemäßen Weiterbildung einer oben beschriebenen Vorrichtung wird erreicht, dass Fehlbeschaltungen erkannt werden, bei denen der Speisekontakt eines Ladegerätes fehlerhafterweise nicht mit dem Ladekontakt sondern mit dem Entladekontakt verbunden ist. Hierzu weist die eine Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Messeinrichtung auf, die bevorzugt eine Spannungsmesseinrichtung ist, mit der eine am Entladekontakt gegenüber Masse anliegende Spannung gemessen werden kann. Überschreitet diese Spannung einen Schwellwert, so ist dies ein Indiz dafür, dass versucht wird, in den Entladekontakt einen Ladestrom einzuspeisen. Alternativ dazu kann die Messeinrichtung aber auch eine Strommesseinrichtung sein, mit der ein in den Entladekontakt eingespeister Strom gemessen werden kann. Beispielsweise kann hierzu eine an einem Meßwiderstand abfallende Spannung gemessen werden. Auch die Verwendung eines Hall-Elementes ist möglich. Die erfindungsgemäße Schutzschaltung, mit der verhindert wird, dass ein einen Schwellwert überschreitender Strom in den Akkumulator eingespeist wird, ist bevorzugt eine Ableitungsschaltung. Mit dieser Ableitungsschaltung kann der Strom am Akkumulator vorbeigeleitet werden, sodass der über den Entladekontakt eingespeiste Strom zumindest teilweise nicht zum Akkumulator geleitet wird. Der Strom wird zumindest teilweise zum Massekontakt abgeleitet. Dies kann über einen Schutzwiderstand erfolgen, der niederohmig ist. Der Schalter, der den Massekontakt niederohmig mit dem Ladekontakt verbindet, ist bevorzugt ein Transistor, beispielsweise Feldeffekttransistor. Das oben genannte Logikelement kann zwei Eingangszustände miteinander vergleichen. Ein erster Eingangszustand charakterisiert, ob der Entladeschalter geöffnet ist. Ein zweiter Eingangszustand wird von dem von der Steuerschaltung ausgewerteten Spannungsabfall an der Messeinrichtung charakterisiert. Die beiden Eingangszustände werden vom Logikelement ausgewertet. Das Logikelement erkennt somit, ob ein Beschaltungsfehler vorliegt. Das Erkennen eines Beschaltungsfehlers durch das Logikelement führt zur Aktivierung der Schutzeinrichtung. Bei aktivierter Schutzeinrichtung besteht eine Kurzschlussverbindung zwischen dem Entladekontakt und dem Massekontakt. Bei inaktivierter Schutzeinrichtung sind Entladekontakt und Massekontakt elektrisch voneinander getrennt. Die Messeinrichtung kann eine Spannungsteilerschaltung aufweisen.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 Schaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- 2 den rechten Teil der in 1 dargestellten Schaltung mit einem Ladekontakt 5, einem Entladekontakt 6 und einem Massekontakt 7, wobei ein Ladegerät 14 derart fehlerhaft an die Vorrichtung angeschlossen ist, dass ein Speisekontakt 16, mit dem normalerweise ein Ladestrom in den Ladekontakt 5 eingespeist ist, mit dem Entladekontakt 6 verbunden ist,
- 3 ebenfalls den rechten Teil der in 1 dargestellten Schaltung, wobei das Ladegerät 14 derart fehlerhaft an die Vorrichtung angeschlossen ist, dass zwar der Speisekontakt 16 mit dem Ladekontakt 5 verbunden ist, es aber einen Nebenschluss zum Entladekontakt 6 gibt.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Die Erfindung betrifft eine Schaltung 3 zur Verwendung an einer einen Akkumulator 1 aufweisenden Vorrichtung zur wiederaufladbaren Speicherung und Abgabe elektrischer Energie.
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Die erfindungsgemäße Schaltung 3 kann auch eine Akkumulatoranordnung umfassen. Die Erfindung ist insbesondere eine Vorrichtung zur elektrischen Energieversorgung eines Elektrogerätes. Sie kann für ein Elektrokleingerät, beispielsweise ein Haushaltsgerät, beispielsweise einen Staubsauger, insbesondere Handstaubsauger, verwendet werden. Die Vorrichtung weist zunächst einen Akkumulator 1 auf, der eine Vielzahl von Akkumulatorzellen 2 aufweist. Ein Pol des Akkumulators 1 ist mit Masse und einem Massekontakt 7 der Schaltung 3 verbunden. Der andere Pol des Akkumulators 1 ist über eine Abzweigung einerseits mit ein oder mehreren Ladeschaltern 8, 8' der Schaltung 3 und mit ein oder mehreren Entladeschaltern 9 der Schaltung 3 verbunden. Mittels des mindestens einen Ladeschaltern 8, 8' kann dieser Pol des Akkumulators 1 mit einem Ladekontakt 5 elektrisch leitend verbunden werden. Mittels eines Ladegerätes 14, dessen Massekontakt 17 am Massekontakt 7 und dessen Speisekontakt 16 am Ladekontakt 5 angeschlossen ist, kann der Akkumulator 1 wieder aufgeladen werden. Hierzu liefert eine Energiequelle 15, die eine Steuerschaltung aufweisen kann, einen Ladestrom Ic.
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Eine nicht dargestellte Steuerschaltung der Akkumulatoranordnung schaltet hierzu die Ladeschalter 8, 8' derart, dass der Ladestrom Ic vom Ladekontakt 5 zum Akkumulator 1 fließen kann. Es kann eine nicht dargestellte Signalleitung vorgesehen sein, die der nicht dargestellten Steuerschaltung signalisiert, dass sich die Vorrichtung in einem Ladezustand befindet, sodass die Ladeschalter 8, 8' zu schließen sind, damit ein Ladestrom Ic durch den Ladeschalter 8, 8' fließen kann.
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Die Schaltung 3 kann die Betriebsphase „Ladebetrieb“ und „Entladebetrieb“ aufweisen. Die Betriebsphasen können von einer nicht dargestellten Steuerschaltung der Akkumulatoranordnung alternativ gesteuert werden. Der Entladeschalter 9 ist geschlossen, wenn sich die Vorrichtung im Entladebetrieb befindet. In dieser Betriebsphase fließt ein Strom vom Akkumulator 1 durch den Entladeschalter 9 über den Entladekontakt 6 zum elektrischen Gerät. Der Ladeschalter 8, 8' und der Entladeschalter 9 sind bevorzugt nie gleichzeitig geöffnet. Der Ladeschalter 8, 8' und der Entladeschalter 9 zeigen bevorzugt immer gegensätzliche Schaltzustände.
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Die Vorrichtung weist eine Messeinrichtung 13 auf, die im Ausführungsbeispiel von zwei in Reihe geschalteten Widerständen R1, R2 gebildet wird. Die Messeinrichtung 13 ist insbesondere Teil der Schutzschaltung 4. Die beiden Widerstände R1, R2 verbinden den Entladekontakt 6 mit dem Massekontakt 7. Am Knotenpunkt zwischen den beiden Widerständen R1, R2 kann eine Spannung abgegriffen werden. Beim Ausführungsbeispiel greift eine Steuerschaltung 10 die Spannung ab und vergleicht sie mit einer Grenzspannung. Überschreitet die Spannung die vorgegebene Grenzspannung, so erhält ein Logikelement 11 einen ersten Eingangszustand, der beispielsweise von 0 auf 1 wechselt, wenn die Grenzspannung überschritten wird.
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Das Logikelement 11 wertet einen zweiten Eingangszustand aus, der beispielsweise 1 sein kann, wenn der Ladeschalter 8, 8' geöffnet ist, beispielsweise ein den Ladeschalter 8, 8' ausbildender Transistor sperrt, und 1 sein kann, wenn der Entladeschalter 9 geschlossen, also leitend ist. Dann ist der Ladeschalter 8, 8' offen, also nicht leitend. Ist hingegen der Entladeschalter 9 offen, also nicht leitend, und demzufolge der Ladeschalter 8, 8' geschlossen, also leitend, so ist der zweite Eingangszustand 0. Das Logikelement 11 kann zwischen den Eingangszuständen eine Und-Verknüpfung durchführen. Das Ausgangssignal des Logikelementes ist nur dann 1, wenn die beiden Eingangszustände gemeinsam den Wert 1 besitzen. Das „Battery Management System“ überwacht mit der Logikschaltung den Öffnungszustand des Entladeschalters und das Anliegen der Ladespannung an den Entladekontakten.
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Der Entladekontakt 6 ist über eine Schutzeinrichtung 18 mit dem Massekontakt 7 verbunden. Die Schutzeinrichtung 18 besitzt einen Schalter 12, der ein Transistor, insbesondere Feldeffekttransistor (MOSFET) sein kann. Erhält dieser Schalter 12 den Ausgangszustand des Logikelementes 1, so schließt der Schalter 12, er wird leitend, sodass ein Strom vom Entladekontakt 6 über einen niederohmigen Widerstand R3 nach Masse abfließen kann.
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Die Funktion der erfindungsgemäßen Schaltung 3 der dargestellten Vorrichtung ist die Folgende:
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Wird in einer nicht dargestellten, ordnungsgemäßen Weise ein Ladegerät 14 mit dem Ladekontakt 5 und dem Massekontakt 12 verbunden und ist der Ladetransistor 8, 8' geschlossen, so fließt ein Ladestrom in den Akkumulator 1.
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Bei einer Fehlbeschaltung gemäß 2, bei der der Speisekontakt 16 mit dem Entladekontakt 6 verbunden ist, fließt der in den Entladekontakt 6 eingespeiste Ladestrom über die Schutzeinrichtung 18 nach Masse, wenn am Logikelement 11 die beiden Eingangszustände jeweils 1 sind.
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Bei einer Fehlbeschaltung gemäß 3, bei der der Speisekontakt 16 zwar richtigerweise mit dem Ladekontakt 5 verbunden ist, er zusätzlich aber auch mit dem Entladekontakt 6 verbunden ist, fließt der in den Ladekontakt 6 eingespeiste Ladestrom oder Teil-Ladestrom über die Schutzeinrichtung 18 nach Masse, wenn am Logikelement 11 die beiden Eingangszustände jeweils 1 sind.
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Die aus dem Schalter 12 und dem niederohmigen Widerstand R3 bestehende Schutzeinrichtung 18 bildet somit einen Bypass aus, über den gewissermaßen ein Kurzschluss zwischen Entladekontakt 6 und Massekontakt 7 erreicht wird.
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Mit dem Spannungsteiler zwischen Entladepfad und Masse wird geprüft, ob am Entladekontakt eine Ladespannung angelegt wurde, die üblicherweise höher ist, als die normale Ausgangsspannung des Akkumulators 1. Durch Zuschalten eines niederohmigen Bypasses fließt der Großteil des Ladestroms durch einen niederohmigen MOSFET und somit nicht durch die Akkumulatorzellen. Das den Ladestrom bereitstellende Netzteil kann eine interne Kurzschluss-Erkennung besitzen, sodass sich das Netzteil in einem solchen Fehlerfall nach einer gewissen Anzahl von Wiedereinschaltversuchen dauerhaft in einen sicheren Zustand bringt, in dem kein Ladestrom bereitgestellt wird.
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Die Erfindung liefert eine sichere und kostengünstige Erkennung einer Fehlbeschaltung von Ladepfad und Entladepfad beim Wiederaufladen des Akkumulators und Vermeidung dadurch verursachter Schäden am Akkumulator.
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Mit der erfindungsgemäßen Schutzschaltung 4 der Schaltung 3 lässt sich ein Ladevorgang bei einer detektierten Fehlbeschaltung durch Erzwingen eines Kurzschlusses abbrechen beziehungsweise verhindern. Das Ladegerät 14 kann eine Schutzschaltung aufweisen, die den von der Schutzeinrichtung 18 gebildeten Kurzschluss erkennt, um den Ladevorgang abzubrechen.
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In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein die Schaltung 3 aufweisendes Battery Management System nicht in der Akkumulatoranordnung körperlich integriert, sondern als separate Schaltung mit entsprechenden Kontaktmitteln ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Akkumulator
- 2
- Akkumulatorzelle
- 3
- Schaltung
- 4
- Schutzschaltung
- 5
- Ladekontakt
- 6
- Entladekontakt
- 7
- Massekontakt
- 8
- Ladeschalter
- 8'
- Ladeschalter
- 9
- Entladeschalter
- 10
- Steuerschaltung
- 11
- Logikelement
- 12
- Schalter
- 13
- Messeinrichtung
- 14
- Ladegerät
- 15
- Energiequelle
- 16
- Speisekontakt
- 17
- Massekontakt
- 18
- Schutzeinrichtung
- C
- Ladezweig
- P
- Entladezweig
- IC
- Ladestrom
- IP
- Entladestrom
- R1
- Widerstand
- R2
- Widerstand
- R3
- Widerstand
