DE10304557A1 - Kondensatorbatterie und Verfahren zu deren Ansteuerung - Google Patents
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Abstract
Kondensatorbatterie, insbesondere für ein Fahrzeug, bei der in einer Kondensatorschaltung eine Mehrzahl von Kondensatoren verschaltet sind, und bei der zur Entladung mindestens ein Entladungswiderstand vorgesehen ist, wobei der Kondensatorschaltung eine Schutzvorrichtung zugeordnet ist, über die der Entladungswiderstand in Abhängigkeit vorgegebener äußerer Betriebszustände automatisch aktivierbar ist. DOLLAR A Verfahren zur Ansteuerung einer Kondensatorbatterie, wobei mit einer Steuereinheit in Abhängigkeit eines äußeren Betriebszustandes über eine Schutzvorrichtung ein Entladungswiderstand aktiviert wird.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Kondensatorbatterie, insbesondere für ein Fahrzeug, bei der in einer Kondensatorschaltung eine Mehrzahl von Kondensatoren miteinander verschaltet sind, und bei der zur Entladung mindestens ein Entladungswiderstand vorgesehen ist.
- Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Ansteuerung einer Kondensatorbatterie.
- Kondensatorbatterien können überall eingesetzt werden, wo einem elektrischen Verbraucher kurzfristig eine hohe Leistung zur Verfügung stehen soll. Insbesondere in der Fahrzeugtechnik gewinnen sie zunehmend an Bedeutung, beispielsweise als zusätzliche Stromquelle zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Bordnetzes und zur Entlastung der Batterie (
DE 199 17 294 A1 ), zur Unterstützung und Steuerung der Stromerzeugung in Hybridfahrzeugen mit einem zusätzlichem Generator (DE 102 05 555 A1 ), beispielsweise einem Kurbelwellenstartergenerator (KSG) in Fahrzeugen mit Start/Stoppsystem, zur Erzeugung von Heizstrom zur Vorheizung von Katalysatoren (DE 199 33 654 A1 ) oder zur Sicherstellung der Stromversorgung in zukünftigen „Drive-by-wire" – Systemen (DE 100 55 160 A1 ). - Kondensatorbatterien sollen eine möglichst hohe Kapazität und eine möglichst niedrige Selbstentladung bei einer möglichst kompakten Bauform aufweisen. Dies wird vorzugsweise mit sogenannten Supercap – Kondensatoren realisiert. Dabei sind einzelne Kondensatoren zunächst zu Ketten oder Gruppen in Reihe oder Parallel geschaltet. Die Kondensatorbatterie ist aus einer bestimmten Anzahl dieser, wiederum in Reihe oder Parallel geschalteten Ketten, bzw. Gruppen, aufgebaut.
- Während sich in Parallelschaltungen die Kapazitäten der einzelnen Kondensatoren gemäß addieren, addieren sich bei den in Reihe geschalteten Kondensatoren ihre reziproken Kapazitäten gemäß , woraus sich gemäß hohe Summenspannungen ergeben können. Die Handhabung derartiger Kondensatorbatterien erfordert daher eine spezielle Ausbildung für höhere Spannungen (größer 60 V), die jedoch kosten aufwendig ist oder es ist zumindest ein sicheres Entladen der Batterie notwendig. Dabei ergibt sich das Problem, dass die einzelnen Kondensatoren beim Anlegen einer Kurzschlussbrücke nicht sicher und ausreichend entladen werden. Beim Anlegen einer Kurzschlussbrücke an die Anschlussklemmen der Batterie, können sich wegen der schaltungsbedingten Strombegrenzung nicht alle Kondensatoren gleichmäßig schnell entladen. Wird die Kurzschlussbrücke nur für kurze Zeit angelegt, gleichen sich nach dem Entfernen der Brücke die Restladungen wieder aus, worauf sich eine hohe Restspannung einstellt. Bedingt durch die hohe Leistungsfähigkeit der Supercaps ist auch der Kurzschlussstrom, bzw. die Kurzschlussleistung sehr hoch. Darin liegt ein hohes Gefährdungspotential für Personen bei der Handhabung von Kondensatorbatterien.
- Aus der
DE 692 13 001 T2 sind verschieden aufgebaute Kondensatorbatterien bekannt, die einen oder mehrere Entladungswiderstände zur Entladung aufweisen. In einer Ausführungsform ist ein Entladungswiderstand mit mehreren Ketten aus in Reihe geschalteten einzelnen Kondensatoren parallel geschaltet. In zwei weiteren dort bereits als bekannt beschriebenen Kondensatorbatterien, ist ein Entladungswiderstand entweder mit einer Kette aus in Reihe geschalteten Gruppen aus parallel geschalteten Kondensatoren parallel geschaltet oder es ist zu jeder Gruppe jeweils ein Entladungswiderstand parallel geschaltet. - Nachteilig bei den bekannten Kondensatorbatterien mit Entladungswiderstand wirkt sich aus, dass der Fachmann hier keinerlei Angaben erhält, wie die Entladung praktisch durchführbar ist. Insbesondere sind keine Hinweise gegeben, die eine Entladung mit einer ausreichenden Schutzwirkung für Personen sicherstellen.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die bekannten Kondensatorbatterien so weiterzuentwickeln, dass eine Gefährdung von Personen durch hohe elektrische Spannungen und/oder Ströme bei der Handhabung der Kondensatorbatterie minimiert ist, und dass die Handhabung keine spezielle Ausbildung erfordert.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der Kondensatorschaltung eine Schutzvorrichtung zugeordnet ist, über die der Entladungswiderstand in Abhängigkeit vorgegebener äußerer Betriebszustände automatisch aktivierbar ist.
- Dadurch, dass der Entladungswiderstand in Abhängigkeit vorgegebener äußerer Betriebszustände aktivierbar und entsprechend deaktivierbar ist, sorgt die Schutzvorrichtung dafür, dass immer dann, wenn Personen mit der Kondensatorbatterie direkt oder indirekt in Berührung kommen können, der Entladungswiderstand aktiviert und die Batterie entladen wird. Die äußeren Betriebszustände können sein: das Bestehen oder Nichtbestehen einer Verbindung der Kondensatorbatterie mit einer Anwendung, beispielsweise einem elektrischen Verbraucher, über eine Verbindungsvorrichtung oder bestimmte Betriebszustände eines Kraftfahrzeuges oder eine Servicemaßnahme an der Kondensatorbatterie oder an einem, mit der Kondensatorbatterie in Wirkverbindung stehenden, elektronischen Bauteil. Insbesondere können dadurch Kondensatorbatterien in Fahrzeugen sicher und zuverlässig ausreichend entladen werden, um Wartungs- oder Servicepersonal, aber auch Fahrzeuginsassen in bestimmten Betriebssituationen zu schützen. Das Servicepersonal muss nicht zwingend über eine Zusatzqualifikation für hohe Spannungen verfügen, wodurch Kosten eingespart werden können. Eine dauerhafte Entladung der Kondensatorbatterie kann sichergestellt werden und dadurch die Unfallgefahr erheblich reduziert werden. Weiterhin werden durch den selbstjustierenden Mechanismus der Schutzvorrichtung Bedienungsfehler weitestgehend vermieden. Umgekehrt ist entsprechend auch eine automatische Deaktivierung des Entladungswiderstandes vorgesehen, wenn die Kondensatorbatterie (wieder) in ihren geladenen Betriebszustand versetzt werden soll.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Schutzvorrichtung als eine Steckverbindung mit einem Stecker und einer Buchse ausgebildet, bei der Mittel vorgesehen sind, die ein Entladen der Kondensatoren über den Entladungswiderstand bei geschlossener Steckverbindung verhindern, und die beim Trennen der Steckverbindung den Entladungswiderstand aktivieren, so dass eine automatische Entladung der Kondensatoren erfolgt. Die Mittel zur Aktivierung des Entladungswiderstands können als ein steckerseitig mit dem Entladungswiderstand elektrisch verbundener Schalter und als ein buchsenseitig angeordnetes Betätigungselement ausgebildet sein, so dass durch Schließen und Öffnen der Steckverbindung der Schalter betätigbar ist. Die Mittel zur Aktivierung des Entladungswiderstands können grundsätzlich auch als ein buchsenseitig mit dem Entladungswiderstand elektrisch verbundener Schalter und als ein steckerseitig angeordnetes Betätigungselement ausgebildet sein.
- Die Mittel zur Aktivierung des Entladungswiderstands können auch als in Wirkverbindung mit dem Entladungswiderstand bringbare Pilotkontakte ausgebildet sein, so dass durch Schließen und Öffnen der Steckverbindung eine Pilotkontaktverbindung betätigbar ist.
- Kondensatorbatterien sind in der Regel über eine Steckverbindung mit einer Anwendung, beispielsweise einem elektrischen Verbraucher in einem Fahrzeug, verbunden. Durch Trennen der Steckverbindung wird über die erfindungsgemäß vorgesehenen Kontakte oder Schalter automatisch der Entladungswiderstand aktiviert, so dass eine anschließende Handhabung gefahrlos erfolgen kann. Durch Schließen der Steckverbindung wird der Entladungswiderstand wieder deaktiviert, so dass die Kondensatorbatterie wieder aufgeladen werden kann. Dadurch wird eine hohe Betriebssicherheit und eine hohe Schutzwirkung erreicht.
- Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Entladungswiderstand über mindestens eine externe Steuereinheit aktivierbar. Die Steuereinheit kann einem Airbagsystems zugehörig sein. Sie kann auch einem Fahrzeugdiagnosesystem zugehörig sein.
- Durch die Aktivierung/Deaktivierung des Entladungswiderstandes über die Steuereinheit ist eine besonders effektive Personenschutzwirkung der Schutzvorrichtung realisierbar. Im Falle eines Fahrzeugunfalls (Crashfall) werden die Fahrzeuginsassen aber auch Helfer gegen die potentielle Gefahr elektrischer Schläge durch elektrische Vorrichtungen, die möglicherweise durch die Kondensatorbatterie unkontrolliert unter Spannung stehen können oder durch die Kondensatorbatterie selbst, geschützt. Weiterhin wird das Werkstattpersonal beim Ausbau des Kondensators aus dem Fahrzeug geschützt. Durch die Ansteuerung über das Fahrzeugdiagnosesystem kann in einem Wartungs-, Test- oder Fehlerfall einer Gefahr durch die Konden satorbatterie vorgebeugt werden. Vorzugsweise ist die Steuereinheit als ein Steuergerät mit einem Mikroprozessor und einem Datenbusanschluss ausgebildet.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Entladungswiderstand als eine Anzeigelampe und/oder als ein Halbeiterbauelement und/oder als ein leitfähiger Kunststoff ausgebildet.
- Durch eine Anzeigenlampe, die durch den Entladevorgang aufleuchtet, kann die Schutzvorrichtung mit einer Signalvorrichtung verbunden werden und somit die Schutzwirkung der Schutzvorrichtung noch weiter verbessert werden. Ein Halbleiterelement kann als Schalter in besonders kompakter Form in die Kondensatorbatterie integriert werden. Besonders effektiv kann auch ein leitfähiger Kunststoff als Entladungswiderstand wirken. Grundsätzlich ist auch eine Kombination der einzelnen Elemente denkbar, um das Ausfallrisiko zu minimieren.
- Die bekannten Verfahren zur Ansteuerung von Kondensatorbatterien regeln im Wesentlichen die elektrische Versorgung einer Anwendung. Diese Verfahren haben den Nachteil, dass sie keine Schutzmaßnahmen für Personen vorsehen.
- Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Ansteuerung von Kondensatorbatterien zu entwickeln, mit dem eine Gefährdung von Personen durch hohe elektrische Leistungen beim Umgang mit der Kondensatorbatterie vermieden wird.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 9 dadurch gelöst, dass mit einer Steuereinheit in Abhängigkeit eines äußeren Betriebszustandes über eine Schutzvorrichtung ein Entladungswiderstand aktiviert wird.
- Durch die Aktivierung des Entladungswiderstands wird gezielt die Kondensatorbatterie entladen, wenn Betriebssituationen entstehen oder vorgesehen sind, die die Handhabung der Batterie durch Personen vorsieht, bevor eine Person mit den Kondensatoren bzw. den Anschlüssen der Batterie in Berührung kommen kann. Dadurch wird die Unfallgefahr minimiert.
- Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der äußere Betriebszustand eine Wartungsmaßnahme oder eine Reparaturmaßnahme oder eine Fehlerdiagnosemaßnahme oder ein Fahrzeugunfall.
- Das Verfahren kann besonders effektiv eingesetzt werden, um eine Schutzwirkung von Kondensatorbatterien in Fahrzeugen zu realisieren, wenn die genannten Fälle auftreten, bei denen Personen mit der Batterie in Berührung kommen können.
- Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise veranschaulicht sind.
- Es zeigen
-
1 : Eine schematisches Schaltbild einer Kondensatorbatterie mit einer ersten Ausführungsform einer Schutzvorrichtung mit einer Steckverbindung, -
2 : eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Steckverbindung und -
3 : eine schematisches Schaltbild der Schutzvorrichtung von1 mit einer Steuereinheit. - Eine Kondensatorbatterie besteht im Wesentlichen aus einer Kondensatorschaltung
1 , der eine Schutzvorrichtung2 mit einem Entladungswiderstand3 zugeordnet ist. - Die Kondensatorbatterie ist aus einer Kette von in Reihe geschalteten Supercaps aufgebaut. In
1 ist die Kondensatorbatterie schematisch in Form eines Ersatzschaltbildes eines Supercaps dargestellt, bei dem drei jeweils in Reihe mit einem ohmschen Widerstand11 geschaltete Kondensatoren15 parallel geschaltet sind. Der Schaltung1 ist die als eine Steckverbindung4 ausgebildete Schutzvorrichtung2 nachgeordnet. Die Steckverbindung4 besteht aus einem Stecker5 und einer dem Stecker angepassten Buchse6 . Der Stecker5 ist mit der Schaltung1 verschaltet. Auf dem batterieseitigen Stecker5 sitzen zwei als Hauptkontaktstifte ausgebildete Kontakte12' die in zwei benachbarte buchsenseitige, als Hauptkontakthülsen ausgebildete Kontakte12 der Buchse6 einsteckbar sind, um eine elektrische Verbindung zu einer Anwendung herzustellen. Zu der Kondensatorschaltung1 parallel geschaltet und in den Stecker5 integriert, ist der Entladungswiderstand3 , mit einem in Reihe mit dem Entladungswiderstand3 geschalteten Schalter10 . Der Schalter10 ist über ein, dem Stecker6 zugehöriges Betätigungselement7 , durch Öffnen und Schließen der Steckverbindung betätigbar, so dass der Schalter bei geschlossener Steckverbindung4 geöffnet ist und bei getrennter Steckverbindung4 geschlossen ist. Schließt der Schalter10 durch Öffnen der Steckverbindung4 , d.h. durch Trennen von Stecker5 und Buchse6 , werden die Ladungen der Kondensatoren15 durch das Fließen eines entsprechenden Entladungsstroms über den Widerstand3 abgebaut. -
2 zeigt eine Steckverbindung4' , bei der der Entladungswiderstand3 einerseits mit einer in einem Steckergehäuse13 angeordneten Feder9 kontaktiert ist, und andererseits mit einen in einem Buchsengehäuse14 angeordneten Stift8 kontaktierbar ist. Stift8 und Feder9 wirken auf an sich bekannte Weise als Pilot- oder Hilfskontakte, so dass bei geschlossener Steckverbindung4' , entsprechend der Ladung Q und der Kapazität C der Batterie, die Spannung an den Hauptkontakten12 ,12' anliegt, und bei getrennter Steckverbindung4' der Entladungswiderstand3 aktiviert ist und die Ladungen der Kondensatoren15 über den Widerstand3 abfließen. - Ein weiteres, in
3 dargestelltes, Ausführungsbeispiel entspricht bis auf eine Steuereinheit16 der Ausführungsform in1 . Über die Steuereinheit16 ist der Entladungswiderstand3 ansteuerbar. Die Steuereinheit16 ist vorteilhaft als ein Steuergerät mit einem Mikroprozessor und einem Datenbusanschluss ausgebildet und spricht über eine Steuerleitung beispielsweise einen (nicht dargestellten) elektronischen Schalter an, der den Entladungswiderstand3 in Wirkverbindung mit der Kondensatorschaltung1 setzt bzw. die Wirkverbindung trennt. - Ein Verfahren zur Ansteuerung einer Kondensatorbatterie beruht im Wesentlichen darauf, dass mit einer Steuereinheit
16 in Abhängigkeit eines äußeren Betriebszustandes über eine Schutzvorrichtung2 ein Entladungswiderstand3 aktiviert oder deaktiviert wird. - Die Steuereinheit
16 erhält in einem ersten Ausführungsbeispiel über ein fahrzeuginternes System, wie beispielsweise ein Airbagsystem eines Kraftfahrzeuges, im Falle der Auslösung eines Airbags, den Befehl „KONDENSATORBATTERIE ENTLADEN", worauf der Entladungswiderstand3 aktiviert wird. - In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist ein fahrzeugexternes System, beispielsweise ein Fahrzeugdiagnosegerät von einen Servicetechniker an die Fahrzeugelektronik des Kraftfahrzeuges angeschlossen. Über eine Datenbusverbindung gibt das Fahrzeugdiagnosegerät an die Steuereinheit
16 den Befehl „KONDENSATORBATTERIE ENTLADEN", worauf ebenso wie im ersten Ausführungsbeispiel der Entladungswiderstand3 aktiviert wird. -
- 1
- Kondensatorschaltung
- 2
- Schutzvorrichtung
- 3
- Entladungswiderstand
- 4, 4'
- Steckverbindung
- 5
- Stecker
- 6
- Buchse
- 7
- Betätigungselement
- 8
- Pilotkontakt/Stift
- 9
- Pilotkontakt/Feder
- 10
- Schalter
- 11
- Widerstand
- 12, 12'
- Kontakt
- 13
- Steckergehäuse
- 14
- Buchsengehäuse
- 15
- Kondensator
- 16
- Steuereinheit
Claims (10)
- Kondensatorbatterie, insbesondere für ein Fahrzeug, bei der in einer Kondensatorschaltung eine Mehrzahl von Kondensatoren miteinander verschaltet sind, und bei der zur Entladung mindestens ein Entladungswiderstand vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatorschaltung (
1 ) eine Schutzvorrichtung (2 ) zugeordnet ist, über die der Entladungswiderstand (3 ) in Abhängigkeit vorgegebener äußerer Betriebszustände automatisch aktivierbar ist. - Kondensatorbatterie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzvorrichtung (
2 ) als eine Steckverbindung (4 ,4' ) mit einem Stecker (5 ) und einer Buchse (6 ) ausgebildet ist, bei der Mittel vorgesehen sind, die ein Entladen der Kondensatoren (15 ) über den Entladungswiderstand (3 ) bei geschlossener Steckverbindung (4 ,4' ) verhindern, und die beim Trennen der Steckverbindung (4 ,4' ) den Entladungswiderstand (3 ) aktivieren, so dass eine automatische Entladung der Kondensatoren (15 ) erfolgt. - Kondensatorbatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Aktivierung des Entladungswiderstands (
3 ) als ein steckerseitig mit dem Entladungswiderstand (3 ) elektrisch verbundener Schalter (10 ) und als ein buchsenseitig angeordnetes Betätigungselement (7 ) ausgebildet sind, so dass durch Schließen und Öffnen der Steckverbindung (4 ) der Schalter (10 ) betätigbar ist. - Kondensatorbatterie nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Aktivierung des Entladungswiderstands (
3 ) als in Wirkverbindung mit dem Entladungswiderstand (3 ) bringbare Pilotkontakte (8 ,9 ) ausgebildet sind, so dass durch Schließen und Öffnen der Steckverbindung (4' ) eine Pilotkontaktverbindung betätigbar ist. - Kondensatorbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladungswiderstand (
3 ) über mindestens eine externe Steuereinheit (16 ) aktivierbar ist. - Kondensatorbatterie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (
16 ) einem Airbagsystems zugehörig ist. - Kondensatorbatterie nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (
16 ) einem Fahrzeugdiagnosesystem zugehörig ist. - Kondensatorbatterie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Entladungswiderstand (
3 ) als eine Anzeigelampe und/oder als ein Hableiterbauelement und/oder als ein leitfähiger Kunststoff ausgebildet ist. - Verfahren zur Ansteuerung einer Kondensatorbatterie, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Steuereinheit (
16 ) in Abhängigkeit eines äußeren Betriebszustandes über eine Schutzvorrichtung (2 ) ein Entladungswiderstand (3 ) aktiviert wird. - Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Betriebszustand eine Wartungsmaßnahme oder eine Reparaturmaßnahme oder eine Fehlerdiagnosemaßnahme oder ein Fahrzeugunfall ist.
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