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TECHNISCHES GEBIET
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Die in der vorliegenden Anmeldung offenbarte Technik betrifft eine Schutzschaltung und eine Energiespeichervorrichtung.
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STAND DER TECHNIK
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In einigen Energiespeichervorrichtungen wird der Strom zu einem Verbraucher unterbrochen, wenn eine Unregelmäßigkeit auftritt. Als Druckschrift, die diese Art der Technik betrifft, ist Folgendes bekannt.
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DRUCKSCHRIFT DES STANDS DER TECHNIK
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PATENTSCHRIFT
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Patentschrift 1:
JP-A-2017-136901 -
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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PROBLEME, DIE DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSEN SIND
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Da ein induktiver Verbraucher einen induzierten Strom erzeugt, wenn der Strom unterbrochen wird, ist es vorstellbar, ein Rückflusselement vorzusehen, das den induzierten Strom zu dem Verbraucher zurückführt, um die Energiespeichervorrichtung zu schützen. Wenn jedoch ein Ladegerät oder eine externe Leistungsversorgung in umgekehrter Polarität mit Außenanschlüssen der Energiespeichervorrichtung verbunden wird, dann kann der Strom weiterhin durch das Rückflusselement fließen, und manchmal wird das Rückflusselement durch übermäßige Wärmeerzeugung geschädigt.
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Die vorliegende Anmeldung offenbart eine Technik, die in der Lage ist, die Schädigung des Rückflusselements selbst dann zu verhindern, wenn das Ladegerät oder die externe Leistungsversorgung in umgekehrter Richtung mit den Außenanschlüssen der Energiespeichervorrichtung verbunden wird.
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MITTEL ZUM LÖSEN DER PROBLEME
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Eine Schutzschaltung einer Energiespeichervorrichtung mit Außenanschlüssen weist auf: eine Rückflussschaltung, die parallel zu einem Verbraucher angeschlossen ist, der an den Außenanschlüssen angeschlossen ist; und eine Schalterschaltung. Die Rückflussschaltung beinhaltet: ein Rückflusselement, das einen induzierten Strom, der bei Unterbrechung eines Stroms zu einem Verbraucher erzeugt wird, zu dem Verbraucher zurückführt; und eine Stromunterbrechungseinheit, die in Reihe mit dem Rückflusselement geschaltet ist, und wobei die Schalterschaltung die Stromunterbrechungseinheit vom leitenden Zustand in den unterbrochenen Zustand umschaltet, während die Stromunterbrechungseinheit um eine vorbestimmte Zeit ausgehend von einem Zeitpunkt, an welchem eine invertierte Spannung an den Außenanschlüssen anliegt, verzögert wird.
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Diese Technik kann auch bei Installation in der Energiespeichervorrichtung eingesetzt werden.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorhergehenden Technik kann verhindert werden, dass das Rückflusselement in ungewöhnlicher Weise Hitze erzeugt, indem der Strom nach einer vorbestimmten Zeit unterbrochen wird, wenn das Ladegerät oder die externe Leistungsversorgung in Rückwärtsrichtung bzw. invertiert mit den Außenanschlüssen der Energiespeichervorrichtung verbunden sind.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Seitenansicht, die ein Motorrad gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt.
- 2 ist eine perspektivische Aufrissansicht einer Energiespeichervorrichtung.
- 3 ist eine Draufsicht auf eine Sekundärbatterie.
- 4 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der 3.
- 5 ist eine Ansicht, die einen elektrischen Aufbau der Energiespeichervorrichtung zeigt.
- 6 ist eine Ansicht, die einen Rückflusspfad für einen induzierten Strom zeigt.
- 7 ist ein Zeitdiagramm, das das Ein- und Ausschalten eines Halbleiterschalters zeigt.
- 8 ist eine Ansicht, die einen Zustand zeigt, in welchem eine externe Leistungsversorgung in invertierter Richtung angeschlossen ist.
- 9 ist eine Stromsignalform, wenn eine Spannung der externen Leistungsversorgung von positiv auf negativ wechselt.
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ART ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
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(Überblick über die Ausführungsform)
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Eine Schutzschaltung einer Energiespeichervorrichtung mit Außenanschlüssen beinhaltet: eine Rückflussschaltung, die parallel zu einem mit Außenanschlüssen verbundenen Verbraucher geschaltet ist; und eine Schalterschaltung. Die Rückflussschaltung beinhaltet: ein Rückflusselement, das einen induzierten Strom, der bei Abschalten des Stroms zu dem Verbraucher erzeugt wird, zu dem Verbraucher zurückführt; und eine Stromunterbrechungseinheit, die in Reihe mit dem Rückflusselement geschaltet ist, wobei die Schalterschaltung die Stromunterbrechungseinheit vom leitenden in den unterbrochenen Zustand umschaltet, während die Stromunterbrechungseinheit um eine vorbestimmte Zeit ausgehend von einem Zeitpunkt, an welchem eine invertierte Spannung an den Außenanschlüssen anliegt, verzögert wird.
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Bei diesem Aufbau wird der induzierte Strom, der bei Unterbrechung des Stroms zu dem Verbraucher hervorgerufen wird, zu dem Verbraucher unter Anwendung der Rückflussschaltung zurückgeführt. Daher kann die Energiespeichervorrichtung vor dem induzierten Strom (Stromspitze) geschützt werden. Wenn das Ladegerät oder die externe Leistungsversorgung in invertierter Richtung mit den Außenanschlüssen verbunden ist, wird die Stromunterbrechungseinheit vom leitenden Zustand in den unterbrochenen Zustand umgeschaltet, wenn die vorbestimmte Zeit (Verzögerungszeit) ab der invertierten Verbindung verstrichen ist. Selbst wenn die invertierte Verbindung hervorgerufen wird, wird der Strom nach dem Verstreichen der Verzögerungszeit unterbrochen. Daher kann ein Ausfall des Rückflusselements aufgrund einer ungewöhnlichen Wärmeerzeugung verhindert werden.
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Die Stromunterbrechungseinheit kann ein Halbleiterschalter sein. Der Halbleiterschalter benötigt eine kürzere Zeit von dem Empfang des Unterbrechungsbefehls bis zur Unterbrechung des Stromes im Vergleich zu einem mechanischen Schalter und besitzt ein ausgezeichnetes Ansprechverhalten. Daher erzeugt aufgrund des ausgezeichneten Stromunterbrechungsverhaltens das Rückflusselement kaum eine ungewöhnliche Wärme.
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Die Schalterschaltung kann eine Kapazitätseinheit, die zwischen einem Gate und einem Source des Halbleiterschalters liegt, aufweisen, und die Kapazitätseinheit kann ausgehend von dem Zeitpunkt, an welchem die invertierte Spannung an die Außenanschlüsse angelegt wird, verzögert werden, um den Halbleiterschalter vom leitenden Zustand in den unterbrochenen Zustand umzuschalten, während eine Verzögerung um eine vorbestimmte Zeitdauer ausgehend von dem Zeitpunkt erfolgt, an welchem die invertierte Spannung anliegt. Bei diesem Aufbau kann eine Verzögerungszeit des Halbleiterschalters unter Anwendung der Kapazitätseinheit, die zwischen dem Source und dem Gate des Halbleiterschalters angeschlossen ist, erzeugt werden. Der Halbleiterschalter wird vom leitenden Zustand in den unterbrochenen Zustand nicht durch ein Signal aus einer Steuerung, die in der Energiespeichervorrichtung, und/oder dergleichen vorgesehen ist, umgeschaltet, sondern durch eine analoge Schaltung, die die Kapazitätseinheit beinhaltet. Selbst wenn die Steuerung aufgrund einer Überladung der Energiespeichereinrichtung in der Energiespeichervorrichtung beispielsweise nicht arbeitet, kann daher der Halbleiterschalter dennoch in geeigneter Weise betrieben werden.
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Die Schalterschaltung kann einen ersten Widerstand, die Kapazitätseinheit, eine Diode, die parallel zu der Kapazitätseinheit geschaltet ist, und einen zweiten Widerstand aufweisen, wobei bei dem ersten Widerstand ein Ende mit dem Außenanschluss einer positiven Elektrode und das andere Ende mit einem Gate des Halbleiterschalters verbunden sein kann, wobei in der Kapazitätseinheit und der Diode ein Ende mit einem Source des Halbleiterschalters und das andere Ende mit dem Gate des Halbleiterschalters verbunden sein kann, und wobei in dem zweiten Widerstand ein Ende mit dem externen Anschluss der negativen Elektrode und das andere Ende mit dem Source des Halbleiterschalters verbunden sein kann. Bei diesem Aufbau kann eine RC-Verzögerungsschaltung aus dem ersten Widerstand und der Kapazitätseinheit gebildet werden, und die Schalterschaltung kann gegebenenfalls nur aus dem Widerstand der Kapazitätseinheit und der Diode aufgebaut sein.
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<Erste Ausführungsform>
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Mit Verweis auf 1 bis 9 wird nun eine erste Ausführungsform beschrieben. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Motorrads 10. Es kann eine Energiespeichervorrichtung 20 für das Motorrad verwendet werden.
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1. Aufbau der Energiespeichervorrichtung 20
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Wie in 2 gezeigt ist, beinhaltet die Energiespeichervorrichtung 20 eine montierte Batterie 21, eine Leiterplatteneinheit 45 und einen Behälter 50. Der Behälter 50 beinhaltet einen Hauptkörper 51 und eine Abdeckung 56, die aus einem Kunstharzmaterial hergestellt sind. Der Hauptkörper 51 hat eine Zylinderform mit Boden. Der Hauptkörper 51 beinhaltet eine Bodenfläche 52 und vier Seitenflächen 53. Eine obere Öffnung 54 ist an einem oberen Endbereich durch die vier Seitenflächen 53 gebildet.
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Der Behälter 50 nimmt die montierte Batterie 21 und die Leiterplatteneinheit 45 auf. Die Leiterplatteneinheit 45 beinhaltet eine Leiterplatte 46 und eine elektronische Komponente, die auf der Leiterplatte 46 montiert ist, und sie ist auf der montierten Batterie 21 angeordnet. Die Abdeckung 56 verschließt die obere Öffnung 54 des Hauptkörpers 51. Es ist eine Umfangswand 57 um die Abdeckung 56 herum vorgesehen. Ein säulenartiger positiver Elektrodenanschluss 35A und ein säulenartiger negativer Elektrodenanschluss 35B sind an der Abdeckung 56 befestigt.
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Die montierte Batterie 21 beinhaltet mehrere Batteriezellen 22 (Energiespeichereinrichtungen). Wie in 4 gezeigt ist, kann die Batteriezelle 22 eine Zelle sein, in der eine Elektrodenanordnung 27 in einem rechteckigen Parallelepiped-Gehäuse 23 zusammen mit einem nicht wässrigen Elektrolyten enthalten ist. Die Batteriezelle 22 kann eine Lithiumionen-Sekundärbatteriezelle sein. Das Gehäuse 23 beinhaltet einen Gehäusekörper 24 und einen Deckel 25, der eine Öffnung über dem Gehäusekörper 24 verschließt.
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Obwohl dies nicht detailliert dargestellt ist, ist in der Elektrodenanordnung 27 ein Separator, der aus einer porösen Harzschicht aufgebaut ist, zwischen einem negativen Elektrodenelement, in welchem ein aktives Material auf ein Basismaterial, das aus einer Kupferfolie gebildet ist, aufgebracht ist, und einem positiven Elektrodenelement angeordnet, in welchem ein aktives Material auf ein aus einer Aluminiumfolie gebildeten Basismaterial aufgebracht ist. Diese sind in flacher Form derart gewickelt, dass sie in dem Gehäusekörper 24 in einem Zustand aufgenommen werden, in welchem das negative Elektrodenelement und das positive Elektrodenelement auf gegenüberliegenden Seiten in der Breitenrichtung liegen, wobei ihre Positionen in Bezug auf den Separator entsprechend angeordnet sind.
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Ein positiver Elektrodenanschluss 35A ist mit dem positiven Elektrodenelement über einen positiven Elektrodenstromsammler 28 verbunden, und ein negativer Elektrodenanschluss 35B ist mit dem negativen Elektrodenelement über einen negativen Elektrodenstromsammler 30 verbunden. Der positive Elektrodenstromsammler 28 und der negative Elektrodenstromsammler 30 enthalten jeweils einen flachen plattenförmigen Sockel 33 und einen Ausleger 34, der sich von dem Sockel 33 aus erstreckt. In dem Sockel 33 ist eine Durchgangsbohrung ausgebildet. Der Ausleger 34 ist mit dem positiven Elektrodenelement oder dem negativen Elektrodenelement verbunden. Der positive Elektrodenanschluss 35A und der negative Elektrodenanschluss 35B enthalten jeweils einen Anschlusskörper 36 und einen Holm 37, der von einem zentralen Bereich einer unteren Fläche des Anschlusskörpers 36 nach unten hervorsteht. Der Anschlusskörper 36 und der Holm 37 des positiven Elektrodenanschlusses 35A sind zusammen aus Aluminium (als einziges Material) gebildet. In dem negativen Elektrodenanschluss 35B ist der Anschlusskörper 36 aus Aluminium hergestellt, und der Holm 37 ist aus Kupfer hergestellt, und der Anschlusskörper 36 und der Holm 37 sind entsprechend zusammengefügt. Die Anschlusskörper 36 des positiven Elektrodenanschlusses 35A und des negativen Elektrodenanschlusses 35B sind entsprechend an beiden Enden des Deckels 25 durch eine Dichtung 39, die aus einem isolierenden Material hergestellt ist, angeordnet und sie liegen außerhalb der Dichtung 39 frei. Wie in 3 gezeigt ist, beinhaltet der Deckel 25 ein Überdruckventil 41. Wenn der Innendruck in dem Gehäuse 23 einen Grenzwert übersteigt, dann öffnet das Überdruckventil 41, um den Innendruck in dem Gehäuse 23 zu reduzieren.
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2. Elektrischer Aufbau der Energiespeichervorrichtung 20
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5 ist eine Blockansicht der Energiespeichervorrichtung 20. Die Energiespeichervorrichtung 20 beinhaltet zwei Außenanschlüsse 58A und 58B als Paar, eine montierte Batterie 21, einen Stromsensor 60, ein Relais 75, eine Verwaltungseinrichtung 70 und eine Schutzschaltung 100. Die montierte Batterie 21 ist aus mehreren Batteriezellen 22 aufgebaut. Die montierte Batterie 21 hat eine Nennspannung von 12 V.
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Der Außenanschluss 58A der positiven Elektrode und die positive Elektrode der montierten Batterie 21 sowie der Außenanschluss 58B der negativen Elektrode und die negative Elektrode der montierten Batterie 21 sind mit Versorgungsleitungen PL1, PL2 als Leistungsversorgungspfade entsprechend verbunden.
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In der Versorgungsleitung PL1 der positiven Elektrode ist ein Relais 75 angeordnet. Das Relais 75 ist im Normalzustand geschlossen. Das Relais 75 ist eine Unterbrechungseinrichtung, die den Strom der Versorgungsleitung PL unterbricht bzw. abschaltet. Anstelle des Relais 75 kann ein Halbleiterschalter, etwa ein FET, als Unterbrechungseinrichtung verwendet werden. Es ist ein Stromsensor 60, der den Strom erfasst, in der Versorgungsleitung PL2 der negativen Elektrode angeordnet.
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Die Verwaltungseinrichtung 70 beinhaltet eine CPU 71 und einen Speicher 73. Die Verwaltungseinrichtung 70 überwacht den Zustand der montierten Batterie 21, gibt einen Stromunterbrechungsbefehl an das Relais 75 aus, wenn eine Unregelmäßigkeit erfasst wird, und schaltet das Relais 75 vom geschlossenen Zustand in den geöffneten Zustand um. Daher kann die weitere Benutzung der Energiespeichervorrichtung 20 verhindert werden. Die Unregelmäßigkeit beinhaltet eine Unregelmäßigkeit im Strom, eine Unregelmäßigkeit in der Spannung, eine Unregelmäßigkeit bei der Temperatur, und dergleichen. Zusätzlich zu dem Stromsensor 60 kann die Energiespeichervorrichtung 20 eine Spannungserfassungseinheit, die die Spannung der montierten Batterie 21 erfasst, einen Temperatursensor, der die Temperatur der montierten Batterie 21 erfasst, und dergleichen aufweisen.
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Ein Verbraucher 12 ist mit den Außenanschlüssen 58A, 58B der Energiespeichervorrichtung 20 verbunden. Der Verbraucher 12 ist ein induktiver Verbraucher mit einer Widerstandskomponente R und einer induktiven Komponente L. Die Energiespeichervorrichtung 20 kann zum Starten eines Verbrennungsmotors dienen. Der Verbraucher 12 kann ein Startermotor sein.
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3. Aufbau der Schutzschaltung
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In dem induktiven Verbraucher 12 wird eine induzierte elektromotorische Kraft bei Abschaltung des Stroms hervorgerufen. Die Energiespeichervorrichtung 20 beinhaltet die Schutzschaltung 100, die die Energiespeichervorrichtung 20 vor der induzierten elektromotorischen Kraft schützt.
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Die Schutzschaltung 100 beinhaltet eine Rückflussschaltung 110 und eine Schalterschaltung 120. Die Rückflussschaltung 110 ist parallel zu dem Verbraucher 12, der an den Außenanschlüssen 58A, 58B angeschlossen ist, geschaltet. Die Rückflussschaltung 110 enthält ein Rückflusselement 111 und einen Halbleiterschalter 115.
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Beispielsweise kann das Rückflusselement 111 eine Diode sein. Das Rückflusselement 111 stellt eine Verbindung einer Kathode zu dem Außenanschluss 58A der positiven Elektrode her. In dem Rückflusselement 111 ist eine Richtung von der Versorgungsleitung PL2 der negativen Elektrode zu der Versorgungsleitung PL1 der positiven Elektrode eine Vorwärtsrichtung bzw. Durchlassrichtung. Das Rückflusselement 111 kann eine Sperrspannung haben, die höher ist als die maximale Spannung zwischen den Außenanschlüssen 58A, 58B, so dass beim normalen Betrieb kein Strom in der Rückwärtsrichtung fließen kann.
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Der Halbleiterschalter 115 kann ein Feldeffekttransistor (FET) sein. In diesem Beispiel ist der FET ein N-Kanal-FET. Der Halbleiterschalter 115 hat eine Verbindung eines Source S zu einer Anode des Rückflusselements 111, und hat eine Verbindung eines Drains D zu dem Außenanschluss 58B der negativen Elektrode. Der Halbleiterschalter 115 ist eine Stromunterbrechungseinheit, die den Strom unterbricht, der durch das Rückflusselement 111 fließt. Das Source S und das Drain D sind Anschlüsse des Halbleiterschalters.
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Die Schalterschaltung 120 ist eine Schaltung, die den Halbleiterschalter 115 schaltet. Die Schalterschaltung 120 beinhaltet einen ersten Widerstand 121, eine Diode 123, einen Kondensator 125 und einen zweiten Widerstand 127.
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Ein Ende des ersten Widerstands 121 ist mit dem Außenanschluss 58A der positiven Elektrode verbunden, und das andere Ende ist mit einem Gate G des Halbleiterschalters 115 verbunden. Das Gate G ist ein Steueranschluss des Halbleiterschalters. Der erste Widerstand 121 kann ein großer Widerstand mit ungefähr 200 [kQ] sein.
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Die Diode 123 und der Kondensator 125 sind parallel geschaltet. Die Diode 123 oder der Kondensator 125 ist mit dem Source S des Halbleiterschalters 115 verbunden, und das entsprechende andere Bauteil ist mit dem Gate G des Halbleiterschalters 115 verbunden. Die Kapazität des Kondensators 125 kann ungefähr 1000 [pF] betragen. Der Kondensator 125 ist die Kapazitätseinheit, die zwischen dem Gate und dem Source des Halbleiterschalters 115 vorgesehen ist.
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In der Diode 123 ist die Richtung von dem Source S zu dem Gate G des Halbleiterschalters 115 eine Vorwärtsrichtung, und der Strom in der Sperrrichtung bzw. umgekehrten Richtung wird blockiert.
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Ein Ende des zweiten Widerstands 127 ist mit dem Außenanschluss 58B der negativen Elektrode verbunden, und das andere Ende ist mit dem Source S des Halbleiterschalters 115 verbunden. Der zweite Widerstand 127 kann ein großer Widerstand von ungefähr 100 [kQ] sein.
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4. Beschreibung der Funktion der Schutzschaltung
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Bei geschlossenem Relais 75 und wenn die invertierte Spannung nicht an den Außenanschlüssen 58A, 58B anliegt, dann ist das Source S des Halbleiterschalters 115 eine Referenzspannung (0 V in diesem Beispiel), und das Gate G ist die Batteriespannung (12 V in diesem Beispiel) der montierten Batterie 21, wie in 5 gezeigt ist. Folglich gilt, dass Vgs > Schwellenwertspannung Vth ist, und der Halbleiterschalter 115 ist eingeschaltet (leitend). Vgs ist die Spannung des Gates in Bezug auf das Source.
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Wenn das Relais 75 vom geschlossenen Zustand in den offenen Zustand zum Unterbrechen des Stroms in der Versorgungsleitung PL umgeschaltet wird, wird die rückwärts gerichtete elektromotorische Kraft in dem Verbraucher 12 erzeugt, und es liegt eine invertierte Spannung an den Außenanschlüssen 58A, 58B der Energiespeichervorrichtung 20 an, wie dies in 6 gezeigt ist. Die invertierte Spannung ist eine Spannung mit umgekehrter Polarität in Bezug auf die montierte Batterie 21, d. h., eine Spannung, die dazu führt, dass der Außenanschluss 58B der negativen Elektrode positiv ist und der Außenanschluss 58A der positiven Elektrode negativ ist.
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Der Kondensator 125 ist zwischen dem Gate G und dem Source S des Halbleiterschalters 115 angeschlossen und wird durch die montierte Batterie 21 auf die Batteriespannung (12 V) aufgeladen, bevor die rückwärts gerichtete elektromotorische Kraft erzeugt wird.
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Unmittelbar nach dem Anliegen der rückwärts gerichteten elektromotorischen Kraft (invertierte Spannung) an den Außenanschlüssen 58A, 58B, wird Vgs an dem Halbleiterschalter 115 durch den Kondensator 125 auf einem höheren Wert als die Schwellenwertspannung Vth gehalten, so dass der Halbleiterschalter 115 im leitenden Zustand gehalten wird.
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Wenn der Halbleiterschalter 115 im eingeschalteten Zustand gehalten wird, fließt ein induzierter Strom I, der durch die rückwärtsgerichtete elektromotorische Kraft hervorgerufen wird, über den Halbleiterschalter 115 und das Rückflusselement 111 zurück zu dem Verbraucher 12, wie in 6 dargestellt ist. Folglich kann die Energiespeichervorrichtung 20 vor dem induzierten Strom (Stromspitze) des Verbrauchers 12 geschützt werden.
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Der Kondensator125 entlädt sich ausgehend von dem Zeitpunkt, an welchem die rückwärts gerichtete elektromotorische Kraft anliegt, über den ersten Widerstand 121, und dadurch nimmt die Spannung ab. Wenn Vgs an dem Halbleiterschalter 115 abnimmt, bis sie unter die Schwellenwertspannung Vth aufgrund der Entladung des Kondensators 125 abfällt, dann wird der Halbleiterschalter 115 automatisch vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand umgeschaltet.
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Wie zuvor beschrieben ist, bilden der Kondensator 125 und der erste Widerstand 121 eine Verzögerungsschaltung 130, die den Zeitpunkt des Umschaltens des Halbleiterschalters 115 von dem eingeschalteten Zustand (leitend) in den ausgeschalteten Zustand (unterbrochen) um eine vorbestimmte Zeit ausgehend von dem Zeitpunkt, ab welchem die rückwärts gerichtete Spannung anliegt, verzögert.
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Die Diode 123, die parallel zu dem Kondensator 125 geschaltet ist, dient dazu, Vgs auf einer negativen Spannung (Durchbruchsspannung der Diode 123) zu halten, bis die Rückspannung nicht mehr vorhanden ist, nachdem der Halbleiterschalter 115 von leitend in unterbrochen umgeschaltet worden ist, wodurch der Halbleiterschalter 115 ausgeschaltet bleibt.
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7 ist ein Zeitablaufdiagramm, das den Schaltzeitpunkt des Halbleiterschalters 115 zeigt, wenn die invertierte Spannung anliegt. Eine Zeit t0 ist ein Zeitpunkt, an welchem die invertierte Spannung erzeugt wird, eine Zeit t1 ist der Zeitpunkt, an welchem der Halbleiterschalter 115 von leitend auf unterbrochen umschaltet, und Td ist die Verzögerungszeit.
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Die Verzögerungszeit Td ist durch eine Zeitkonstante der RC-Verzögerungsschaltung 130 durch den ersten Widerstand 121 und den Kondensator 125 bestimmt, und ist vorzugsweise länger als eine Dauer Ts des induzierten Stroms. Es kann ein experimenteller Wert oder ein theoretischer Wert, der aus einer Schaltungskonstanten erhalten wird, als die Dauer Ts des induzierten Stroms verwendet werden. Während der Dauer des induzierten Stroms behält die Rückflussschaltung 110 den leitenden Zustand bei, indem die Verzögerungszeit Td länger als die Dauer Ts des induzierten Stroms festgelegt wird, so dass die Stromspitze des induzierten Stroms zu dem Verbraucher 12 zurückgeführt werden kann.
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Wenn der Halbleiterschalter 115 nach dem Verstreichen der Verzögerungszeit Td automatisch von Ein auf Aus (von leitend auf unterbrochen) umgeschaltet wird, können die folgenden Wirkungen erreicht werden.
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Wie in 8 gezeigt ist, kann die externe Leistungsversorgung 150 in invertiert mit den Außenanschlüssen 58A, 58B der Energiespeichervorrichtung 20 verbunden sein. Die invertierte Verbindung bzw. der invertierte Anschluss ist eine Verbindung, in der Positiv und Negativ der Polarität invertiert sind. Wenn die invertierte Verbindung hervorgerufen wird, wird eine negative Spannung an den Außenanschluss 58A der positiven Elektrode angelegt, und es wird eine positive Spannung an den Außenanschluss 58B der negativen Elektrode angelegt.
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Wenn die invertierte Verbindung für die externe Leistungsversorgung 150 hervorgerufen wird, dann fließt der Strom I weiterhin durch das Rückflusselement 111 derart, dass unter Umständen das Rückflusselement 111 aufgrund der ungewöhnlichen Wärmeerzeugung geschädigt wird. Das heißt, aufgrund der Leistungsspitze, die durch den Induktionsstrom hervorgerufen wird und nur für eine kurze Zeit der Dauer Ts anhält, erzeugt das Rückflusselement 111 keine außergewöhnliche Wärme, wenn jedoch die externe Leistungsversorgung 150 in invertierter Weise angeschlossen ist, fließt der Strom I weiterhin durch das Rückflusselement 111, so dass manchmal das Rückflusselement 111 durch die ungewöhnliche Wärmeerzeugung geschädigt wird. Ein ähnliches Problem tritt nicht nur auf, wenn die externe Leistungsversorgung 150 invertiert angeschlossen wird, sondern auch, wenn ein Ladegerät (nicht gezeigt) invertiert angeschlossen wird.
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Wenn bei diesem Aufbau die externe Leistungsversorgung 150 invertiert wird, wird der Halbleiterschalter 115 von Ein auf Aus umgeschaltet, wenn die Verzögerungszeit Td ausgehend von der Zeit des invertierten Anschließens verstrichen ist. Wenn der Halbleiterschalter 115 ausgeschaltet wird, kann der Strom I aus der externen Leistungsversorgung 150 zu dem Rückflusselement 111 unterbrochen werden.
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9 zeigt eine Stromsignalform des Rückflusselements, wenn die Spannung an der externen Leistungsversorgung 150 von positiv zu negativ wechselt. Zu der Zeit t0 wird die Spannung an der externen Leistungsversorgung 150 von positiv auf negativ umgeschaltet, und nach der Zeit t0 liegt die invertierte Spannung (negative Spannung) an den Außenanschlüssen 58A, 58B an.
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Wenn die Verzögerungszeit Td nach dem Anliegen der invertierten Spannung zum Zeitpunkt t0 verstrichen ist, dann schaltet die Schalterschaltung 120 den Halbleiterschalter 115 von Ein auf Aus.
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Nach dem Anliegen der invertierten Spannung wird folglich der Strom, der durch das Rückflusselement 111 fließt, unterbrochen, wenn die Verzögerungszeit Td verstrichen ist, und anschließend fließt der Strom I nicht mehr durch das Rückflusselement 111, selbst wenn die invertierte Spannung kontinuierlich anliegt. Aus dem zuvor Gesagten geht hervor, dass eine Schädigung des Rückflusselements 111 aufgrund einer ungewöhnlichen Wärmeerzeugung verhindert werden kann.
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Die Verzögerungszeit Td wird vorzugsweise auf einen Bereich festgelegt, in welchem die Temperatur des Rückflusselements 111 die Nenntemperatur (Grenztemperatur) aufgrund des Stroms I, der während der invertierten Anschlussbedingung fließt, nicht übersteigt.
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Wenn die externe Leistungsversorgung 150 zum Zeitpunkt t2 von negativ auf positiv umgeschaltet wird, dann erfolgt wieder eine Rückkehr zu dem Zustand der 5, wobei das Source S des Halbleiterschalters 115 zu der Referenzspannung (0 V) wird, und wobei das Gate G die Batteriespannung (12 V) der montierten Batterie 21 annimmt. Somit übersteigt Vgs die Spannung Vth, und der Halbleiterschalter 115 geht automatisch von Aus in Ein über.
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5. Wirkung
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Bei diesem Aufbau wird der induzierte Strom I, der beim Unterbrechen des Ausgabestroms zu dem Verbraucher 12 erzeugt wird, unter Verwendung der Rückflussschaltung 110 zu dem Verbraucher 12 zurückgeführt. Folglich kann die Energiespeichervorrichtung 20 vor dem induzierten Strom (Stromspitze) geschützt werden.
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Für den Fall, dass die externe Leistungsversorgung 150 oder das Ladegerät invertiert angeschlossen werden, wird der Halbleiterschalter 115 von Ein auf Aus umgeschaltet, wenn eine vorbestimmte Zeit (Verzögerungszeit Td) ab dem Invertieren der Anschlüsse verstrichen ist. Selbst wenn die invertierte Anschlussbedingung hervorgerufen wird, kann daher der Strom I nach dem Verstreichen der Verzögerungszeit unterbrochen werden, so dass eine Schädigung des Rückflusselements 111 aufgrund einer ungewöhnlichen Wärmeerzeugung verhindert werden kann.
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Da bei diesem Aufbau die Verzögerung unter Anwendung der Zeitverzögerungsschaltung 120 hervorgerufen wird, die den Halbleiterschalter 115 von Ein nach Aus umschaltet, ist eine höhere Widerstandsfähigkeit in Bezug auf Rauschen und eine geringere Wahrscheinlichkeit zum Hervorrufen einer Fehlfunktion im Vergleich zu dem Falle gegeben, in welchem die Verzögerung unter Anwendung einer Steuerung, etwa eines Mikrocomputers, hervorgerufen wird. Folglich kann der Strom des Rückflusselements 111 zuverlässig nach dem Verstreichen der Verzögerungszeit unterbrochen werden.
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<Andere Ausführungsformen>
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen, die mit Verweis auf die vorhergehende Beschreibung und die Zeichnungen angegeben ist, beschränkt. Beispielsweise liegen die folgenden Ausführungsformen ebenfalls im technischen Bereich der vorliegenden Erfindung.
- (1) In der vorhergehenden Ausführungsform ist die Batteriezelle 22 als ein Beispiel der Energiespeichereinrichtung dargestellt. Die Energiespeichereinrichtung ist nicht auf die Batteriezelle 22 beschränkt, und kann stattdessen ein Kondensator sein. Die Batteriezelle 22 ist nicht auf die Lithiumionen-Sekundärbatterie beschränkt, sondern sie kann eine andere Sekundärbatterie mit nicht-wässrigem Elektrolyt sein. Es kann auch eine Bleisäurebatterie oder dergleichen verwendet werden. Die Energiespeichereinrichtungen sind nicht auf den Fall beschränkt, in welchem die mehreren Energiespeichereinrichtungen in Reihe und parallel geschaltet sind, sondern sie können in Reihe geschaltet sein oder sie können einen Aufbau mit einer einzigen Zelle haben.
- (2) In der vorhergehenden Ausführungsform wird die Energiespeichervorrichtung 20 zum Starten des Verbrennungsmotors verwendet. Die Anwendung der Energiespeichervorrichtung 20 ist nicht auf eine spezielle Anwendung beschränkt. Die Energiespeichervorrichtung 20 kann in diversen Anwendungen eingesetzt werden, etwa in einem mobilen Objekt (für Fahrzeuge, Schiffe, automatisch geführte Fahrzeuge (AGV), und dergleichen) und kann auch für eine industrielle Anwendung eingesetzt werden (eine Energiespeichervorrichtung eines unterbrechungsfreien Stromversorgungssystems oder eines Solarenergieerzeugungssystems). Der Verbraucher ist nicht auf den Starter 12 beschränkt, sondern es können diverse Verbraucher (diverse Motoren und dergleichen), etwa in einem Fahrzeug, verwendet werden.
- (3) In der vorhergehenden Ausführungsform ist die Energiespeichervorrichtung 20 als Motorrad beschrieben, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die Energiespeichervorrichtung eine Energiespeichervorrichtung für ein Fahrzeug, etwa ein Elektrofahrzeug oder ein Hybridfahrzeug, sein.
- (4) In der vorhergehenden Ausführungsform ist die Stromunterbrechungseinheit, die den Strom des Rückflusselements 111 unterbricht, in Form des Halbleiterschalters 115 aufgebaut. In der Stromunterbrechungseinheit kann ein Kontaktschalter, etwa ein Relais, anstelle des Halbleiterschalters 115 eingesetzt werden.
- (5) In der vorhergehenden Ausführungsform ist der Kondensator 125 die Kapazitätseinheit, die zwischen dem Gate und dem Source des Halbleiterschalters 115 vorgesehen ist. Die Kapazitätseinheit kann eine Streukapazität zwischen dem Gate und dem Source des Halbleiterschalters 115 anstelle des Kondensators 125 sein.
- (6) In der vorhergehenden Ausführungsform ist die Verzögerungsschaltung 130 die RC-Verzögerungsschaltung mit dem ersten Widerstand 121 und dem Kondensator 125. Die Verzögerungsschaltung 130 muss lediglich in der Lage sein, den Zeitpunkt des Umschaltens des Halbleiterschalters 115 vom eingeschalteten Zustand in den ausgeschalteten Zustand um eine vorbestimmte Zeit ab der Zeit zu verzögern, in der die invertierte Spannung an den Außenanschlüssen anliegt, und sie kann den Zeitpunkt des Umschaltens des Halbleiterschalters 115 unter Anwendung von beispielsweise einem Zeitgeber oder dergleichen verzögern. Der Zeitpunkt kann unter Anwendung eines Mikrorechners verzögert werden. Wenn der Zeitgeber oder der Mikrorechner verwendet wird, dann kann die invertierte Spannung durch eine Erfassungsschaltung erfasst werden, und der Zeitpunkt des Umschaltens des Halbleiterschalters 115 kann durch die Verwendung des Vorgangs der Erfassung durch die Erfassungsschaltung als Auslöser verzögert werden. Die Erfassungsschaltung kann das Anliegen der invertierten Spannung aus der Spannung der Außenanschlüsse erkennen, oder sie kann die invertierte Spannung durch ein anderes Verfahren erfassen.
- (7) In der vorhergehenden Ausführungsform ist die Diode als ein Beispiel des Rückflusselements 111 angegeben. Das Rückflusselement 111 kann ein anderes Element als die Diode sein, solange das Element eine gleichrichtende Wirkung (Blockieren der Sperrrichtung bzw. die Rückwärtsrichtung) hat, wobei die Richtung von der Versorgungsleitung PL2 der negativen Elektrode zu der Versorgungsleitung PL1 der positiven Elektrode die Vorwärtsrichtung bzw. Durchlassrichtung ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Motorrad
- 12
- Verbraucher
- 20
- Energiespeichervorrichtung
- 21
- montierte Batterie
- 22
- Sekundärbatterie (Energiespeichereinrichtung)
- 58A
- Außenanschluss der positiven Elektrode
- 58B
- Außenanschluss der negativen Elektrode
- 75
- Relais
- 100
- Schutzschaltung
- 110
- Rückflussschaltung
- 120
- Schalterschaltung
- 130
- Verzögerungsschaltung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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