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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für Kraftfahrzeuge zur Überwachung
von einem oder mehreren parallel geschalteten Strängen in
Reihe geschalteter Batterien.
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Die
bisher bekannten Schaltungsanordnungen der eingangs genannten Art
weisen Sensormittel auf, an die die Anschlüsse von Batterien (d. h. der
positive und der negative Anschluss der Batterien), angeschlossen
werden können,
um die Spannung, den Strom und die Temperatur der Batterien zu messen. Bei
den bisher bekannten Schaltungsanordnungen ist für jede Batterie ein Sensormittel
vorgesehen. Insbesondere bei Schaltungsanordnungen, mit denen die
Spannung, der Strom und die Temperatur mehrerer Stränge von
in Reihe geschalteten Batterien gemessen werden kann, ist eine solche
Schaltungsanordnung wegen der Vielzahl der benötigten Sensormittel aufwändig.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung
der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass deutlich weniger Sensormittel
als bisher notwendig sind.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Schaltungsanordnung gemäß Anspruch
1 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung weist
demgemäß für jeden
anschließbaren
Strang eine Gruppe von inneren und äußeren Anschlüssen auf, über welche
die Batterien an die Schaltungsanordnung anschließbar sind. Über die äußeren Anschlüsse einer
jeden Gruppe fließt
dabei im Betriebsfall ein Last- oder Ladestrom. Jeder Gruppe ist
ein Sensormittel zugeordnet, wobei das Sensormittel einen Spannungsmesser
zum Messen der Spannung einer Batterie enthält, die an zwei Anschlüssen der Gruppe
anschließbar
ist. Die Schaltungsanordnung weist ein zentrales Sensormittel zum
Messen einer Betriebsspannung und/oder der zwischen den äußeren Anschlüssen der
einzelnen Gruppe abfallenden Spannungen auf. Die Schaltungsanordnung
weist ferner ein zentrales Berechnungsmittel zum Berechnen der Spannungen
der Batterien auf, deren Spannung nicht gemessen wird. Die Berechnung
erfolgt dabei aus den von den Sensormitteln einschließlich des
zentralen Sensormittels gemessenen Spannungen. Eine derartige Schaltungsanordnung
kommt mit deutlich weniger Sensormitteln aus als eine aus dem Stand
der Technik bekannte Schaltungsanordnung. Die Spannungen der Batterien
in jedem anschließbaren
Strang werden durch ein Sensormittel und durch ein zentrales Sensormittel
unter Zuhilfenahme eines Berechnungsmittels ermittelt.
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Gemäß der Erfindung
kann jedes einer Gruppe zugeordnete Sensormittel einen Stromsensor zum
Messen des Last- oder Ladestroms aufweisen, der durch die anschließbaren Batterien
fließt.
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Außerdem kann
jedes einer Gruppe zugeordnete Sensormittel einen Temperatursensor
zum Messen der Temperatur einer oder aller an die Gruppe anschließbaren Batterien
umfassen.
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Die
einer Gruppe zugeordneten Sensormittel sind vorteilhaft über einen
Bus, insbesondere einen LIN-Bus, untereinander und mit dem zentralen
Sensormittel verbunden.
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Das
zentrale Berechnungsmittel und das zentrale Sensormittel sind bei
vorteilhaften Ausführungen
der Erfindung zu einem zentralen Sensor- und Berechnungsmittel zusammengefasst.
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Das
zentrale Sensormittel kann erfindungsgemäß über Messleitungen mit einem
oder mehreren Anschlüssen
jeder Gruppe verbunden sein.
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Eine
vorteilhafte Ausführung
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
zum Anschließen
von zwei in Reihe geschalteten Batterien pro Strang ist so ausgestaltet,
dass jede Gruppe drei Anschlüsse
zum Anschließen
von zwei in Reihe geschalteten Batterien aufweist. Bei den Anschlüssen handelt
es sich dabei um zwei äußere Anschlüsse und
einen inneren Anschluss. Die den Gruppen zugeordneten Sensormittel
können
dann am äußeren Anschluss
mit dem im Betriebsfall niedrigeren Potential und mit dem inneren
Anschluss verbunden sein. Grundsätzlich
ist es aber auch denkbar, die den Gruppen zugeordnete Sensormittel
am äußeren Anschluss
mit im Betriebsfall höherem
Potential anzuschließen.
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Eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung,
d. h. insbesondere das Berechnungsmittel der Schaltungsanordnung,
kann einen Anschluss für eine
externe Busleitung, zum Beispiel einen CAN-Bus, aufweisen.
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Eine
erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
kann außerdem
weitere Temperatursensoren zur Überwachung
der Temperatur von Batterien umfassen, wobei die Temperatursensoren über Messleitungen
mit dem zentralen Berechnungsmittel verbunden sind.
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ZEICHNUNGEN
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Zwei
Ausführungsbeispiele
für erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen
sind anhand der Zeichnung näher
beschrieben. Darin zeigt
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1 eine
Schaltungsanordnung für
n parallel geschaltete Stränge
von Batterien und
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2 eine
Schaltungsanordnung für
einen Strang mit drei in Reihe geschalteten Batterien.
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BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die
in 1 dargestellte Schaltungsanordnung dient der Temperatur-,
Strom- und Spannungsüberwachung
der an die Schaltungsanordnung angeschlossenen Batterien B11, B12, B21, B22, Bn1, Bn2. Die Batterien
B11, B12, B21, B22, Bn1, Bn2 sind zu Strängen mit
jeweils zwei in Reihe geschalteten Batterien geschaltet. Die Stränge sind über jeweils
eine Gruppe von Anschlüssen
an die Schaltungsanordnung angeschlossen. Jede Gruppe von Anschlüssen PB1 P1, PM1;
PB2; P2, PM2; PBn, Pn, PMn weist jeweils
zwei äußere Anschlüsse PB1, PM1; PB2, PM2; PBn, PMn, und einen inneren
Anschluss P1; P2;
Pn auf. Im Betrieb der Schaltungsanordnung
fließt über die äußeren Anschlüsse PB1, PM1; PB2, PM2; PBn, PMn, ein Laststrom
zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern, welcher die Batterien
B11, P12, P21, P22, Bn1, Bn2 entlädt. Umgekehrt
kann über
die äußeren Anschlüsse PB1, PM1; PB2, PM2; PBn, PMn im Betriebsfall
ebenso der Ladestrom fließen,
welcher die Batterien mit beispielsweise in der Lichtmaschine erzeugtem
Strom auflädt.
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Die äußeren Anschlüsse PB1; PB2; PBn an welchen im Betrieb das höhere Potential
anliegt, sind untereinander unmittelbar miteinander verbunden. Sie liegen
daher auf einem gleichen Potential. Dieses Potential ist an einem
Anschluss UB der Schaltungsanordnung abgreifbar.
Vom Anschluss UB fällt gegen einen Massenanschluss
M der Schaltungansordnung die Betriebsspannung der Schaltungsanordnung
ab.
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Die äußeren Anschlüsse, an
denen das niedrigere Potential der Reihenschaltung der Batterien B11, B12; B21, B22, Bn1, Bn2 im Betrieb
der Schaltungsanordnung abgreifbar ist, sind mit den Gruppen zugeordneten
Sensormitteln S1, S2,
Sn verbunden. Der Last- beziehungsweise
Ladestrom, welcher über
die äußeren Anschlüsse PB1, PM1; PB2, PM2; PBn, PMn fließt, fließt somit
in die Sensormittel S1, S2,
Sn. Die Sensormittel S1,
S2, Sn haben jeweils
einen Masseanschluss, wobei die Massenanschlüsse der Sensormittel S1, S2, Sn miteinander
verbunden sind. Außerdem
sind die Massenanschlüsse
der Sensormittel S1, S2,
Sn mit dem Masseanschluss M der Schaltungsanordnung
verbunden. Die Lastbeziehungsweise Ladeströme fließen aus den Sensormitteln S1, S2, Sn über die
Massenanschlüsse
der Sensormittel S1, S2, Sn in den Massenanschluss M der Schaltungsanordnung.
Die Lastbeziehungsweise Ladeströme
fließen somit
vom Anschluss UB der Schaltungsanordnung über die äußeren Anschlüsse PB1, PB2, PBn durch die in Reihe geschalteten Batterien,
die äußeren Anschlüsse PM1, PM2, PMn, über
die Sensormittel S1, S2, Sn zum Massenanschluss M der Schaltungsanordnung.
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In
den Sensormitteln S1, S2,
Sn ist jeweils ein Stromsensor angeordnet,
welcher den Last- oder Ladestrom, der über die äußeren Anschlüsse der
zugeordneten Gruppe von Anschlüssen
fließt,
misst.
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In
den Sensormitteln S1, S2,
Sn ist neben dem Stromsensor auch jeweils
ein Spannungssensor angeordnet. Mit diesen Spannungssensoren kann
das Potential der Batterie B12, B22, Bn2 gemessen
werden, die an dem Anschluss der Schaltungsanordnung angeschlossen
ist, der im Betriebsfall ein niedrigeres Potential aufweist. Damit
die Spannung dieser Batterie B12, B22, Bn2 erfasst werden
kann, ist das Sensormittel über
die inneren Anschlüsse
P1, P2, Pn mit dem Pluspol der Batterien B12, B22, Bn2 verbunden.
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Die
in 1 dargestellte Schaltungsanordnung weist neben
den Sensormitteln S1, S2,
Sn ein zentrales Sensor- und Berechnungsmittel 1 auf.
Dieses zentrale Sensor- und Berechnungsmittel ist über einen
LIN-Bus mit jedem der Sensormittel S1, S2, Sn verbunden,
denen eine der Gruppen von Anschlüssen PB1,
PM1; PB2, PM2; PBn, PMn zum Anschließen der Reihenschaltung der
Batterien zugeordnet ist. Über den
LIN-Bus können
das zentrale Sensor- und Berechnungsmittel 1 und die Sensormittel
S1, S2, Sn Steuerinformationen und Daten, so auch
Messwerte, austauschen. So teilen die Sensormittel S1,
S2, Sn die gemessenen
Strom-, Spannungs- und Temperaturwerte dem zentralen Sensor- und
Berechnungsmittel mit.
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Das
zentrale Sensor- und Berechnungsmittel 1 ist außerdem mit
dem Anschluss UB und mit dem Massenanschluss
M der Schaltungsanordnung verbunden und kann somit die Betriebspannung
messen, welche über
die parallel geschalteten Stränge der
in Reihe geschalteten Batterien abfällt. Aus dieser Betriebspannung
und den Spannungen, die die Sensormittel S1,
S2, Sn messen und
dem zentralen Sensor- und Berechnungsmittel 1 mitteilen,
kann das zentrale Sensor- und Berechnungsmittel 1 die Spannungen
der Batterien B11, B21,
Bn1 berechnen, die von den Sensormitteln
S1, S2, Sn nicht erfasst werden. Damit stehen dem
Sensor- und Berechnungsmittel 1 die Spannungswerte aller
Batterien zur Verfügung. Diese
Spannungswerte und die gemessenen Lastströme sowie gegebenenfalls durch
die Sensormittel S1, S2,
Sn gemessene Temperaturen der Batterien können über einen
CAN-Bus aus dem zentralen Sensor- und Berechnungsmittel 1 abgerufen
werden und beispielsweise einem Energiemanagement zugeführt werden.
Grundsätzlich
ist es aber auch denkbar, dass durch das Sensor- und Berechnungsmittel
der Ladezustand und der „Gesundheitszustand" der Batterien ermittelt
wird. Außerdem
ist es denkbar, dass das Sensor- und Berechnungsmittel Teil eines
Energiemanagementsystems ist.
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Zum
Messen der Temperaturen der Batterien können dabei in den Sensormitteln
S1, S2, Sn Temperatursensoren vorgesehen sein, deren
gemessene Werte über
den LIN-Bus an das zentrale Sensor- und Berechnungsmittel 1 weitergeleitet
werden. Gegebenenfalls können
für die
Batterien B11, B21,
Bn1 besondere Temperatursensoren vorgesehen
sein, die über Messleitungen
T1, T2, T3 (in der 1 optional
angedeutet) angeschlossen sein können.
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Die
Schaltungsanordnung kann ferner Spannungssensoren aufweisen, mit
denen unmittelbar die Spannung an den äußeren Anschlüssen mit
dem höheren
Potential PB1, PB2,
PBn gemessen werden können. Die Messwerte können dann über Messleitungen
UB1, UB2, UBn dem zentralen Sensor- und Berechnungsmittel 1 mitgeteilt
werden. Die besondere Messung der Potentiale an den äußeren Anschlüssen PB1, PB2, PBn kann dann notwendig sein, wenn von dem
Anschluss UB, an welchem das zentrale Sensor- und
Berechnungsmittel 1 das höhere Potential der Betriebspannung
misst, und den äußeren Anschlüssen PB1, PB2, PBn mit dem höheren Potential aufgrund eines
ohmschen Widerstandes der Leitungen eine Spannung abfällt. Ein
derartiger Spannungsabfall würde
die berechneten Spannungswerte der Batterien B11,
B21, Bn1 gegenüber den
tatsächlichen
Spannungswerten verfälschen,
was durch ein Messen der über
den äußeren Anschlüssen abfallenden
Spannungen unmittelbar am äußeren Anschluss
vermieden wird. Ebenso ist es natürlich denkbar, dass das zentrale
Sensor- und Berechnungsmittel über
Messleitungen mit den Anschlüssen
PM1, PM2, PM verbunden ist, so dass das Potential an
diesen Anschlüssen genauer
bestimmt werden kann.
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Die
in 2 dargestellte Schaltungsanordnung ist für den Anschluss
von drei in Reihe geschalteten Batterien B1,
B2, B3 vorgesehen.
Der Strang aus den in Reihe geschalteten Batterien B1,
B2, B3 ist an äußeren Anschlüssen PB, PM der Schaltungsanordnung
angeschlossen. Die äußeren Anschlüsse PB, PM gehören zu einer
Gruppe von Anschlüssen
PB, P11, P12, PM, die zum Anschluss
der Batterien B1, B2, B3 dienen.
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Der äußere Anschluss
PB mit dem im Betriebsfall höheren Potential
ist unmittelbar mit dem Anschluss UB der
Schaltungsanordnung verbunden. Der äußere Anschluss PM mit
dem im Betriebsfall niedrigeren Potential ist unter Zwischenschaltung
eines Sensormittels S mit einem Masseanschluss M der Schaltungsanordnung
verbunden. Die durch die Batterien B1, B2, B3 fließenden Last-
beziehungsweise Ladeströme
fließen
vom Anschluss UB zum äußeren Anschluss PB mit
dem höheren
Potential über
die Batterien B1, B2,
B3 zum äußeren Anschluss
PM mit dem im Betriebsfall niedrigeren Potential, über das Sensormittel
S zum Masseanschluss M der Schaltungsanordnung.
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Das
Sensormittel S weist einen Stromsensor auf, welcher den Last- beziehungsweise
Ladestrom der Batterien B1, B2,
B3 misst. Gleichzeitig weist das Sensormittel
S einen Spannungssensor auf, der die Spannung der Batterie B3 misst, die mit dem äußeren Anschluss PM mit
dem im Betrieb niedrigeren Potential verbunden ist. Dazu ist vom
Sensormittel eine Messleitung zum inneren Anschluss P12 geführt, an welchen
der Pluspol der Batterie B3, deren Spannung zu
messen ist, angeschlossen ist. Das Sensormittel S umfasst ferner
einen Temperatursensor, mit welchem die Temperatur der zuletzt genannten
Batterie B3 gemessen werden kann. Über einen
LIN-Bus ist das Sensormittel S mit einem zentralen Sensor- und Berechnungsmittel 1 verbunden.
Dieses zentrale Sensor- und Berechnungsmittel weist einen Spannungssensor
auf, welcher unmittelbar mit dem Anschluss UB und
dem Anschluss M der Schaltungsanordnung verbunden ist, und so die
Betriebsspannung der Schaltungsanordnung beziehungsweise des Bordnetzes
des Kraftfahrzeugs misst, die zwischen dem Anschluss UB und
dem Massenanschluss M abfällt.
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Über eine
Messleitung ist das Sensor- und Berechnungsmittel 1 mit
dem inneren Anschluss P11 verbunden, an
welchem der Pluspol der mittleren Batterie B2 und
der Minuspol der Batterie B1 anliegt, wobei
letztere mit ihrem Pluspol an dem äußeren Anschluss PB mit
dem höheren
Potential angeschlossen ist. Über
diese Messleitung zum inneren Anschluss P11 kann
das Sensor- und
Berechnungsmittel 1 die Spannung messen, welche zwischen
dem Pluspol der mittleren Batterie B2 beziehungsweise
dem Minuspol der Batterie B1 und dem Masseanschluss
M abfällt.
Aus diesem Spannungswert und dem Spannungswert, der dem zentralen
Sensor- und Berechnungsmittel durch das Sensormittel S mitgeteilt
wird, kann das zentrale Sensor- und Berechnungsmittel 1 die
Spannung der Batterie B2 berechnen. Ferner kann
das zentrale Sensor- und Berechnungsmittel 1 dann aus den
Spannungswerten der Batterien B2, B3 und der gemessenen Betriebsspannung zwischen dem
Anschluss UB und dem Massenanschluss M die Spannung
der oberen Batterie B1, die mit ihrem Pluspol
am äußeren Anschluss
PB mit dem höheren Potential anliegt, berechnen.
Damit sind alle Spannungen der an die Schaltungsanordnung angeschlossenen
Batterien B1, B2,
B3 bekannt. Ferner ist der Strom durch die
Batterien B1, B2,
B3 bekannt.
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Das
zentrale Sensor- und Berechnungsmittel 1 kann optional über Messleitungen
verfügen,
welche das zentrale Sensor- und Berechnungsmittel 1 einerseits
mit dem äußeren Anschluss,
der im Betriebsfall das höhere
Potential hat, und andererseits mit dem äußeren Anschluss PM mit
im Betriebsfall niedrigeren Potential verbindet. Über diese
Messleitungen kann dann die Spannung zwischen den äußeren Anschlüssen PB und PM gemessen
werden. Dieses ist notwendig, falls entlang der Leitung vom Anschluss UB zum Anschluss PB oder
vom Massenanschluss M und dem äußeren Anschluss
PM aufgrund eines ohmschen Widerstands ein
Spannungsabfall auftritt, welcher die über dem Strang anliegende Spannung
gegenüber
der an den Anschlüssen
UB, M anliegenden Betriebsspannung verändert.