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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisch antreibbares Leichtkraftfahrzeug, insbesondere E-Bike, Pedelec, S-Pedelec sowie eine elektrische Schaltung zum Absichern und Vorladen einer Zwischenkreiskapazität. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Bauteilersparnis in elektrischen Schaltungen, welche Kapazitäten vorzuladen haben, wenn diese in Betrieb genommen werden bzw. unter Spannung gesetzt werden.
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Bei elektrisch antreibbaren Fahrrädern und anderen Fahrzeugen liefern elektrochemische Energiespeicher (Akkumulatoren, Batterien) elektrische Energie an einen elektromagnetischen Motor oder einen anderen elektromechanischen Aktuator. Die Verwendung eines elektrischen Motors verlangt üblicherweise eine Ansteuerung mittels eines Inverters, um den Motor bezüglich Geschwindigkeit und Drehmoment zu steuern. Dieser Inverter wiederum benötigt eine Eingangskapazität bzw. Zwischenkreiskapazität, um die Eingangsspannung zu stabilisieren und damit auch die Regelschleife für die Motorsteuerung zu stabilisieren.
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1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Traktionsbatterie in Form einer Batterie 3, welche über eine Zwischenkreiskapazität C und einen Inverter 4, einen Elektromotor 5 als Traktionsmaschine speist.
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Überdies wird die Batterie üblicherweise über Schütze, also Leistungsschalter, mit ihren Verbrauchern verbunden, um sie im Falle von Anomalien entkoppeln zu können und das Risiko von Folgeschäden in einem Fehlerfall (Feuer, Überhitzung, Gasentwicklung etc.) zu minimieren. Auch die Überladung, die Tiefentladung und andere unerwünschte Zustände werden über die Schütze vermeidbar. Die Schütze werden häufig durch MOSFETs (Metalloxidschicht-Feldeffekttransistor) bereitgestellt und durch ein Batteriemanagementsystem angesteuert. Eine solche Anordnung ist in 2 dargestellt. Die elektrische Schaltung 100 weist ein Batteriemodul 12 auf, innerhalb dessen eine Batterie mit Zellen 3 ein Batteriemanagementsystem 8 und über dieses eine Last C versorgt. Die Last C wird über eine steuerbare Stromtrenneinrichtung 1 umfassend zwei in Reihe geschaltete MOSFETs 9a, 9b abgeschaltet bzw. angeschaltet. Die Ansteuerung der MOSFETs 9a, 9b erfolgt über zwei Gate Treiber GT1, GT2, welche über eine elektrische Steuerlogik 2 ein- und ausgeschaltet werden. Sind die MOSFETs 9a, 9b geöffnet, fließt kein Strom durch die Leitungen 6, 7 und es liegt keine Spannung über der Last C an.
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Um weiter hohe Einschaltströme beim Einschalten der MOSFETs 9a, 9b bzw. der Schütze bei kapazitiver Last zu verhindern, wie sie beispielsweise bei einem Motorinverter als Zwischenkreiskapazität verwendet wird, wird ein Vorladepfad 11 gemäß 3 parallel zur steuerbaren Stromtrenneinrichtung 1 angeordnet. Wie in 3 weiter dargestellt, wird auch der Vorladepfad 11 über die Steuerlogik 2 gesteuert.
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Der Vorladepfad verhindert die Beschädigung der MOSFETs beim Einschalten, verringert jedoch andererseits auch Stress für die Zwischenkreiskapazität, indem sie den Einschaltstrom limitiert. Die Absicht des zusätzlichen Vorladepfades besteht darin, die externe Kapazität entweder über einen strombegrenzenden Transistor, ggfs. über dem Transistor in Reihe geschaltete Widerstände, oder eine reduzierte Ausgangsspannungsrampe (z. B. 36 V/200 ms) zu laden. Der zusätzliche Vorladepfad bedingt jedoch eine komplexere Steuerlogik, zusätzliche Bauteilkosten und einen größeren Platzbedarf auf der Platine der elektrischen Schaltung.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung hat den Kerngedanken, den Vorladepfad zu erübrigen und ihre Funktion in die sicherheitsrelevanten Schütze oder Transistoren (MOSFETs oder Bipolar-Transistoren) zu integrieren. Dies soll derart erfolgen, dass eine sichere Arbeitsweise der Schütze/Transistoren, jedoch auch eine schnelle Einschaltlogik für das Laden der externen Kapazitätenlasten bereitgestellt wird. Die vorgeschlagene elektrische Schaltung dient also zum Absichern und Vorladen einer Zwischenkreiskapazität bzw. einer kapazitiven Last. Die Schaltung umfasst eine steuerbare Stromtrenneinrichtung (Schütze, insbesondere MOSFETs) und eine Steuereinheit, welche auch als Mikrocontroller, programmierbare Auswerteeinheit o. ä. ausgestaltet sein kann. Die Steuereinheit ist eingerichtet, die elektrische Schaltung durch Öffnen der Stromtrenneinrichtung gegen einen unzulässigen Betriebszustand abzusichern. Der unzulässige Betriebszustand kann beispielsweise eine Überspannung in der Batterie oder eine Unterspannung in der Batterie, insbesondere auch zu hohe Ladeleistungen oder Entladeleistungen, sein. Die Steuereinheit kann in diesem Fall die steuerbare Stromtrenneinrichtung ansteuern und die enthaltenen Schalter/Transistoren öffnen, um Batterie und Last (umfassend die Zwischenkreiskapazität) zu trennen. Zudem ist die Steuereinheit eingerichtet, eine elektrische Kenngröße innerhalb der elektrischen Schaltung zu ermitteln. Diese kann beispielsweise eine Spannung oder ein Strom oder eine Impedanz sein. Die elektrische Kenngröße kann beispielsweise eine Spannung über einer Zwischenkreiskapazität bzw. über einer Last sein. In Abhängigkeit einer vordefinierten Referenz, welche beispielsweise als Look-up-table und/oder als parametrisiertes Kennfeld vorgesehen ist, kann die Steuereinheit nun die steuerbare Stromtrenneinrichtung derart ansteuern, dass diese einen zwischen null und unendlich variablen Widerstand annimmt. Insbesondere kann der variable Widerstand in Bereichen zwischen 1 Ohm und 1000 Ohm gesteuert werden und eine Vielzahl unterschiedlicher vordefinierter Werte annehmen. Die vordefinierte Referenz kann in Abhängigkeit einer elektrischen Festigkeit bzw. in Abhängigkeit zulässiger Betriebsbereiche der Stromtrenneinrichtung vordefiniert sein. Mit anderen Worten kann in Abhängigkeit der verwendeten Stromtrenneinrichtung ein dem Datenblatt der Stromtrenneinrichtung entsprechender Datensatz in einem digitalen Datenspeicher eines Batteriemanagementsystems abgespeichert sein, wodurch die elektrische Kenngröße mittels der Steuereinrichtung bzw. mittels der variablen und/oder stetigen und/oder endlichen Impedanz in gültigen Bereichen gehalten wird. Ein Unterschied zum Stand der Technik besteht also darin, dass die Schütze nicht als reine Schalter (ein oder aus) angesteuert werden, sondern ihre Impedanz in Abhängigkeit der elektrischen Kenngröße verwendet wird, um den Eingangsstrom beim Einschalten der Zwischenkreiskapazität über der Zeit möglichst hoch, jedoch jeweils an die aktuelle elektrische Kenngröße angepasst einzustellen. Somit kann ein schneller Vorladevorgang der Zwischenkreiskapazität bzw. der Last dennoch schonsam und mit wenig Hardwareaufwand erfolgen.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die elektrische Kenngröße kann beispielsweise eine Spannung über der Zwischenkreiskapazität bzw. über der Last und/oder über der Stromtrenneinrichtung umfassen. Die Spannung kann beispielsweise mittels des Batteriemanagementsystems eines E-Bikes gemessen werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Strom, welcher durch die Stromtrenneinrichtung und/oder in eine Zwischenkreiskapazität fließt, als elektrische Kenngröße verwendet werden. Diesen elektrischen Kenngrößen sind als Eingangsparameter für die Überprüfung der zulässigen Betriebsbereiche der steuerbaren Stromtrenneinrichtung verwendbar, sodass die Betriebsfestigkeit sichergestellt werden kann.
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Die Stromtrenneinrichtung kann mindestens einen Halbleiterschalter, insbesondere einen MOSFET und/oder einen Bipolar-Transistor umfassen. Insbesondere bei der Verwendung von MOSFETs sind zwei antiseriell geschaltete MOSFETs im Hauptenergiepfad der Batterie vorzusehen, um einen Stromfluss in beide Richtungen (aus der Batterie oder in die Batterie) mittels der Steuereinheit unterbinden zu können. Die MOSFETs können beispielsweise Leistungen von 100 Watt bis mehreren Kilowatt standhalten, um für elektrisch antreibbare Leichtfahrzeuge verwendbar zu sein.
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Die vordefinierte Referenz kann in einem nicht flüchtigen Speicher des Batteriemanagementsystems untergebracht sein. Sie kann einen sicheren Arbeitsbereich der Stromtrenneinrichtung repräsentieren. Dies kann beispielsweise durch ein Kennfeld und/oder eine parametrierte Gleichung und/oder eine Look-up-table erfolgen. Als Eingangsgrößen können beispielsweise die aktuelle Spannung über der Stromtrenneinrichtung (Batteriespannung - Zwischenkreiskapazitätsspannung) und/oder ein aktueller Strom durch die Stromtrenneinrichtung verwendet werden. Eine Impedanz der Stromtrenneinrichtung kann dann durch die Steuereinheit derart eingestellt werden, dass eine in der Stromtrenneinrichtung umgesetzte Leistung und/oder eine in der Stromeinrichtung erreichte Temperatur zu keinem Zeitpunkt des Vorladevorgangs die zulässigen Betriebsbereiche verlässt.
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Die zulässigen Betriebsbereiche der Stromtrenneinrichtung bzw. der Transistoren können in Abhängigkeit einer Vielzahl physikalischer Parameter definiert sein. Beispielsweise kann eine Verlustleistung in der Stromtrenneinrichtung und/oder ein dieselbe durchlaufender Strom und/oder eine über ihren Klemmen anliegende Spannung und/oder eine Umgebungstemperatur und/oder eine seit einem ersten Schließen der Stromtrenneinrichtung verstrichene Zeit und/oder ein Entwärmungsparameter in die Festigkeitsbeziehungen eingehen und somit auch in der vordefinierten Referenz entsprechend definiert/berücksichtigt sein. Hierbei sind insbesondere ein Entwärmungsparameter und eine Umgebungstemperatur je nach konkreter Einbausituation der Stromtrenneinrichtung zu hinterlegen bzw. zu definieren. Durch sensorische Überwachung der aktuellen Betriebsparameter der elektrischen Schaltung kann somit jederzeit festgestellt werden, ob eine weitere, in der Stromtrenneinrichtung umzusetzende Leistung unproblematisch ist oder die Betriebsfestigkeitsgrenzen erreicht/überschreitet.
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Der unzulässige Betriebszustand kann einen Überladeschutz und/oder einen Unterladeschutz umfassen. Mit anderen Worten kann die Stromtrenneinrichtung eingerichtet sein, die Batterie gegen unzulässige Spannungsbereiche abzusichern und gegebenenfalls eine elektrische Verbindung zur Last zu trennen. Dies schützt die Batterie und die gesamte elektrische Schaltung vor etwaigen Folgeschäden.
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Wie weiter oben bereits ausgeführt, ist die elektrische Schaltung insbesondere derart dimensioniert, dass die Kapazität in einem Zwischenkreis zwischen einer Batterie und einem Elektromotor auf eine maximale Spannung bis 60 V, bevorzugt im Bereich zwischen 36 V und 52 V, insbesondere von 48 V, aufzuladen. In diesen Spannungsbereichen sind einerseits Maßnahmen zur Begrenzung des Eingangsstromes beim Einschaltvorgang erforderlich und andererseits die in den Schalteinrichtungen/Transistoren umzusetzenden Leistungen noch nicht so hoch, dass eine erfindungsgemäße Einstellung einer adäquaten Impedanz eine ungeeignete Belastung für die Bauteile bedeuten würde. Somit ist die elektrische Schaltung bevorzugt für leichte, rein elektrisch antreibbare Fahrzeuge wie beispielsweise Zweiräder, Dreiräder, Lasten-E-Bikes und andere Gefährte geeignet.
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Die elektrische Schaltung kann insbesondere Datenspeichermittel aufweisen oder auf Datenspeichermittel zugreifen. In den Datenspeichermitteln ist u. a. bevorzugt die Referenz vordefiniert, welche grundsätzlich in einem Read-only-Memory (ROM) werkseitig abgespeichert sein kann. Die Referenz kann in Abhängigkeit der verwendeten Schalteinrichtung bzw. der verwendeten Transistoren vordefiniert sein (siehe Diskussion Betriebsfestigkeit oben). Zusätzlich können auch beschreibbare und/oder veränderliche Speichermittel zum Speichern die Schalteinrichtung charakterisierender Parameter vorgesehen sein. Somit können auch digitale Datenspeicher, Random Access Memory (RAM), Jumper, Hardware-Kodierung der Parameter zur Beschreibung der jeweils eingesetzten bzw. abgeänderten MOSFETs eingesetzt werden. Auch grundsätzlich im Stand der Technik bekannte Register können für die Kennzeichnung der Betriebsparameter bzw. zur Kennzeichnung der elektrischen Festigkeit zum Einsatz kommen.
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Die Steuereinheit kann beispielsweise einen ASIC (application-specific integrated circuit) umfassen. Dieser kann werksseitig so vorbereitet sein, dass er bestimmte Steuerkurven für die steuerbare Stromtrenneinrichtung bereithält. Die Steuerkurven können beispielsweise in Abhängigkeit der vordefinierten Referenz erstellt worden sein. Insbesondere kann die Steuereinheit mittels des ASIC vordefinierte kontinuierliche oder stufenförmige Rampen für die Ansteuerung der Schalteinrichtung (insbesondere der Gate-Anschlüsse der verwendeten Transistoren) realisiert werden.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisch antreibbares Leichtfahrzeug (insbesondere ein E-Bike, Pedelec, S-Pedelec, Lasten-E-Bike oder Trike) vorgeschlagen, welches eine elektrische Schaltung gemäß dem erstgenannten Erfindungsaspekt aufweist. Derart ausgestattet ist das elektrisch antreibbare Leichtfahrzeug eingerichtet, die Merkmale, Merkmalskombinationen und die sich aus diesen ergebenden Vorteile der elektrischen Schaltung derart ersichtlich in entsprechender Weise zu verwirklichen, dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Überblick-Topologie einer elektrischen Schaltung mit einer Zwischenkreiskapazität, einen Inverter und einen Motor;
- 2 eine elektrische Schaltung gemäß dem Stand der Technik mit einer über MOSEFTs realisierten steuerbaren Stromtrennreinrichtung;
- 3 eine elektrische Schaltung mit einem zusätzlichen Vorladepfad gemäß dem Stand der Technik;
- 4 ein überblicksartiges Schaltdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung;
- 5 ein überblicksartiges Schaltdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung;
- 6 ein Überblicksdiagramm einer Regelschleife zur Verwendung in einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung;
- 7 ein Überblicksdiagramm einer Regelschleife zur Verwendung in einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung;
- 8 ein Überblicksdiagramm einer Regelschleife zur Verwendung in einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung;
- 9 ein Überblicksdiagramm einer Regelschleife zur Verwendung in einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung;
- 10 ein Diagramm veranschaulichend zulässige Betriebsbereiche eines als erfindungsgemäße steuerbare Stromtrenneinrichtung einsetzbaren MOSFETs;
- 11 ein erstes Diagramm veranschaulichend elektrische Parameter beim erfindungsgemäßen Ansteuern einer steuerbaren Stromtrenneinrichtung;
- 12 ein zweites Diagramm veranschaulichend elektrische Parameter beim erfindungsgemäßen Ansteuern einer steuerbaren Stromtrenneinrichtung;
- 13 ein drittes Diagramm veranschaulichend elektrische Parameter beim erfindungsgemäßen Ansteuern einer steuerbaren Stromtrenneinrichtung;
- 14 ein viertes Diagramm veranschaulichend elektrische Parameter beim erfindungsgemäßen Ansteuern einer steuerbaren Stromtrenneinrichtung;
- 15 ein Diagramm veranschaulichend elektrische Kenngrößen einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel im Falle eines Erkennens eines Fehlers, welcher zum Abschalten der steuerbaren Stromtrenneinrichtung führt;
- 16 ein überblicksartiges Schaltdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung welche einen Gatespannungsgenerator umfasst
- 17 ein prinzipielles Schaltdiagramm für einen Gatespannungsgenerator, welcher einen integralen Generator und einen Digital-analog-Wandler umfasst;
- 18 ein prinzipielles Schaltdiagramm für einen Gatespannungsgenerator, welcher einen Operationsverstärker mit Rückkopplung umfasst;
- 19 ein prinzipielles Schaltdiagramm für einen Gatespannungsgenerator, welcher einen NPN/PNP BJ Transistor umfasst; und
- 20 ein prinzipielles Schaltdiagramm für einen Gatespannungsgenerator, welcher eine steuerbare Stromquelle umfasst.
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Ausführungsformen der Erfindung
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4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schaltung 100, welche in einem Batteriemodul 12 eine Batterie 3 als elektrische Spannungsquelle aufweist, welche über elektrische Leitungen 6, 7 mit einem Batteriemanagementsystem 8 elektrisch verbunden sind. Das Batteriemanagementsystem 8 versorgt eine Last C, welche beispielsweise eine Zwischenkapazität umfasst. Entsprechend dem Stand der Technik ist eine steuerbare Stromtrenneinrichtung 1 aufweisend einen ersten MOSFET 9a und einen zweiten MOSFET 9b vorgesehen. Die beiden MOSFETs 9a, 9b sind einander entgegengesetzt orientiert, um einen Stromfluss sowohl in Richtung der Batterie als auch in Richtung der Last unterbrechen zu können. Eine Ein-Aus-Steuerlogik 2 ist eingerichtet, die steuerbare Stromtrenneinrichtung 1 im Bedarfsfall über einen Gatedriver GT1 im Falle des ersten MOSFETs 9a und über eine intelligente MOSFET-Steuerung 13 im Falle des zweiten MOSFETs 9b zu öffnen. Über die intelligente MOSFET-Steuerung 13 können jedoch auch variable bzw. stetige bzw. endliche Impedanzen zum Vorladen der Last C realisiert werden, ohne hierzu einen separaten Vorladepfad (siehe 3, Bezugszeichen 11) vorhalten zu müssen.
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5 zeigt eine gegenüber 4 dahingehend modifizierte elektrische Schaltung 100, dass eine Überwachungseinheit 16 den Betrieb der elektrischen Schaltung 100 überwacht und zwischen den MOSFETs 9a, 9b, zwischen dem MOSFET 9b und der Last C sowie von der elektrischen Leitung 7 Signale (Spannungen und/oder Ströme) erhält, welche sie bezüglich der vordefinierten Referenz für die elektrische Festigkeit der Stromtrenneinrichtung 1 auswertet und in Steuerbefehle an die intelligente MOSFET-Steuerung 13 weiterleitet. So kann die intelligente MOSFET-Steuerung 13 die Einstellung des Widerstandes/der Impedanz der steuerbaren Stromtrenneinrichtung 1 noch besser an die tatsächlichen Gegebenheiten anpassen und eine schnellstmögliche Ladung der Last C sicherstellen.
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6 zeigt eine Regelschleife 10 zur Spannungs- oder Stromregelung. Die Referenz 14 kann eine Funktion oder eine Look-up-table (LUT) sein. Wenn ein Strom durch die Last C durch die Regelschleife 10 bereitgestellt wird, wird die Referenz 14 abhängig vom Sensor-Feedback 16b ein Spannungsmesssignal, einen Stromreferenzwert generieren. Wenn die Ausgangsspannung durch die Regelschleife 10 geregelt wird, wird die Referenz 14 abhängig vom Sensor-Feedback 16b (ein Strommesssignal) einen Spannungsreferenzwert generieren. Das Sensorfeedback 16a ist das Ausgangssignal (Strom oder Spannung) der MOSFETs 9a, 9b oder der elektrischen Verbindung 7 und wird vom Ausgangssignal der Referenz 14 in einem Addierer/Subtrahierer 15 abgezogen oder zu diesem hinzuaddiert. Das Ausgangsignal des Addierers/Subtrahierers 15 wird einer Steuerung 13 zugeführt, welche die MOSFETs 9a, 9b ansteuert.
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7 zeigt eine Regelschleife 10 entsprechend 6 mit den folgenden Änderungen:
- Unabhängig von der Regelschleife 10 vergleicht eine Vergleichsfunktion 17 das Sensorfeedback 16b (Spannung oder Strom) mit einem Sicherheitsreferenzschwellwert 18, welcher vom Sensorfeedback 16a (Spannung oder Strom) abhängt. Mit diesem Mechanismus wird eine dynamische Überwachung der Betriebssicherheitsgrenzen realisiert. Wenn die Betriebssicherheitsgrenzen erreicht sind, wird durch ein plötzliches Abschalten der MOSFETs 9a, 9b und parallel dazu ein Abschalten der Regelschleife 10 (die Referenz wird in diesem Fall abgeschaltet) eine Beschädigung der MOSFETs 9a, 9b verhindert.
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8 zeigt eine Abwandlung der Regelschleife 10 in 7. Die Referenz 14 ist zeitabhängig und wird selbst nicht vom Sensorfeedback 16b beeinflusst. Ein Ausgangssignal der Referenz 14 wird jedoch der Überwachungsreferenz 18 zugeführt und von dort wie gehabt dem Vergleicher 17 zugeführt. Das Ausgangssignal des Vergleichers 17 wird jedoch ausschließlich der Steuerung 13 und den MOSFETs 9a, 9b, nicht jedoch dem in 7 enthaltenen Addierer/Subtrahierer 15 oder der Referenz 14 zugeführt.
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9 zeigt eine gegenüber 8 dahingehend veränderte Regelschleife 10, dass eine Überwachungsreferenz 18 das Ausgangssignal der Referenz 14 einer Time-out-Überwachung 19 zuführt, welche das vom Ausgang des MOSFETs 9a, 9b stammende Sensorfeedback 16a erhält. Dies ermöglicht eine zusätzliche Fehlerfallvermeidung. Beispielsweise kann nach einer vordefinierten Zeitdauer davon ausgegangen werden, dass eine bestimmte Spannung an der Last erreicht ist. Bei Nichterreichen einer bestimmten Spannung an der Last kann eine Abschaltung der MOSFETs 9a, 9b veranlasst werden.
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10 zeigt ein Arbeitsdiagramm der Ströme durch die MOSFETs (Bezugszeichen 9a, 9b in den 3 bis 5) über der Drain-Source-Spannung. Die MOSFETs in der linearen Arbeitsweise anzusteuern, ist thermisch hochgradig instabil. Dies ist insbesondere für höhere Drain-Source-Spannungen erheblich, weshalb nur signifikant reduzierte Drainströme ohne etwaige Schädigungen des MOSFETs erlaubt sind. Für geringere Drain-Source-Spannungen sind höhere Drainströme erlaubt. Dies ist durch die unterschiedlichen Zeitdauern, welchen die Graphen 24 bis 29 zugeordnet sind, veranschaulicht. Um ein zeiteffizientes Vorladeverhalten basierend auf der verwendeten Bauart des MOSFETs zu ermitteln und eine maximale spezifische externe Last (Kapazität, Kapazität und Widerstand oder konstanter Strom) sicherzustellen, kann eine zeitabhängige Betriebssicherheit abhängig von Spannung und Strom, wie dargestellt, gefunden/definiert werden. Auf dieser Spannungs-/Stromabhängigkeit des MOSFETs kann der MOSFET so angesteuert werden, dass entweder die Drain-Source-Spannung oder der Drainstrom gemäß der in 10 gezeigten Abhängigkeit geregelt wird. Wenn die Spannung geregelt wird, ergibt sich der Strom durch die externe Last. Wenn der Strom geregelt wird, ist die sich einstellende Spannung von der externen Last abhängig. Denn wenn sich die externe Last nun wie erwartet verhält, kann durch die Berücksichtigung des in 10 dargestellten Zusammenhangs ein Schaden am MOSFET wirksam verhindert werden.
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11 zeigt Zusammenhänge elektrischer Kenngrößen gemäß einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schaltung über der Zeit nach dem Einschalten der elektrischen Schaltung. Die Drain-Source-Spannung 30 des MOSFETs nimmt mit zunehmender Geschwindigkeit ab, während der Strom 32 durch den MOSFET in zunehmendem Maße ansteigt und anschließend, nach vollständiger Ladung einer zu ladenden externen Kapazität, steil abfällt. Die Leistung 31 des MOSFETs steigt etwas früher als der Strom 32 auf ihren Höhepunkt und fällt anschließend etwas weniger steil ab. Die Spannung 30 über der Last steigt in zunehmendem Maße an und verbleibt anschließend auf ihrem maximalen Wert. Das dargestellte Zeitverhalten der elektrischen Kenngrößen ist das Ergebnis einer Simulation einer offenen Regelschleife zur Ansteuerung einer elektrischen Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierin ist gezeigt, dass der MOSFET innerhalb des zulässigen Betriebsbereiches gehalten werden kann.
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12 zeigt ein Zeitverhalten der elektrischen Größen Drain-Source-Spannung 30, Leistung 31 des MOSFETs sowie den Strom 36 durch die Last. Durch stufenweises Verändern der Gatespannung bzw. Impedanz der steuerbaren Stromtrenneinrichtung nimmt die Drain-Source-Spannung 30 in abschnittsweise linearer Form ab, während die Leistung 31 und der Strom 36 stufenweise ansteigen.
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Die 13 bis 15 zeigen dynamisch angepasste Ansteuerarten für eine erfindungsgemäße elektrische Schaltung und die sich hierbei einstellenden elektrischen Kenngrößen über der Zeit. In 13 wird abhängig von einer Drain-Source-Spannung ein Überstrom ermittelt, während in 14 abhängig von einem Laststrom eine Drain-Source-Überspannung ermittelbar ist. In 13 sind hierzu der Laststrom 39 sowie der sich aufgrund des Betriebskennfeldes ergebende maximal erlaubte Strom 35 durch den MOSFET eingezeichnet und ihr stufenweiser Anstieg erkennbar. Zudem ist erkennbar, dass der maximal zulässige Strom 35 stets durch den Laststrom 39 unterschritten wird. In 14 ist der Grenzwert 40 für die Drain-Source-Spannung gemäß dem Betriebskennfeld des eingesetzten MOSFETs stufenförmig absteigend dargestellt und wird zu allen Zeitpunkten durch die tatsächlich gemessene bzw. simulierte Drain-Source-Spannung des MOSFETs 30 unterschritten. 15 zeigt einen Fehler 41, welcher zum Zeitpunkt to eintritt und sich durch ein rapides Ansteigen des Laststroms 39 sowie der Leistung 31 des MOSFETs äußert. Durch den Fehler wird der tatsächliche Strom 39 deutlich höher als durch den zulässigen Strom 35 gemäß Kennfeld vorgegeben. Sobald die Steuerungseinheit eine abnormale Spannung bzw. einen abnormalen Strom erkennt, kann der MOSFET unmittelbar abgeschaltet werden, um weiteren Schaden zu vermeiden. In diesem Fall wird sozusagen durch denselben MOSFET das Vorladeverhalten der elektrischen Schaltung gestaltet und der MOSFET im Fehlerfall als Schütz in herkömmlicher Weise zur Schaltungsabsicherung verwendet.
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16 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Schaltung 100, welche lediglich einen MOSFET 9b als steuerbare Stromtrenneinrichtung 1 in der Leitung 6 aufweist. Von der Leitung 7 (Strommesssignal) wird ein Komparator 17 gespeist, welcher als weitere Eingangsgröße eine vom Betriebskennfeld abhängige Look-up-table 20 erhält. Das Ausgangssignal des Komparators 17 wird ebenso wie das Ausgangssignal der Look-up-table 20 einer Steuereinheit 2 zugeführt, welche einen Integrator umfasst. Damit ist der Eingang des Integrators proportional zum Ausgangsgradienten (der Integratoreingang ist proportional zu dOUT/dt). Insbesondere für kapazitive Leistungen ist es daher vorteilhaft, den Integratoreingang proportional zum resultierenden Laststrom zu halten. Aus der Look-up-table 20 wird überdies auch eine Steuerlogik 21 zum Ein- und Ausschalten des MOSFETs 9b unabhängig von der Steuerlogik 2 versorgt. Über einen Ohm'schen Widerstand R ist die Steuerlogik 2 mit dem Gate des MOSFETs 9b verbunden und ermöglicht über einen Abschalt-MOSFET 22 ein unabhängiges und schnelles Abschalten des MOSFET 9b
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Die 17 bis 20 zeigen technische Implementierungen für die Steuerlogik 2 in den 4, 5 und 16, wobei in 17 ein digitaler Integrator mit einem Digital-analog- und Analog-digitalWandler kombiniert ist, in 18 ein Operationsverstärker OP welcher als Spannungsintegrator Verwendung findet, in 19 Transistoren oder MOSFETs einen Spannungsintegrator darstellen und in 20 konfigurierbare Stromquellen 24 mit einer Ausgangskapazität C Verwendung finden.
