DE202022106322U1

DE202022106322U1 - Steuerschaltung zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichers

Info

Publication number: DE202022106322U1
Application number: DE202022106322.2U
Authority: DE
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-11-10
Filing date: 2022-11-10
Publication date: 2022-11-29
Anticipated expiration: 2032-11-11
Also published as: US20240162723A1

Abstract

Steuerschaltung (60) zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichers (12) mit zumindest einem in einem Strompfad (70) für einen Lade- oder Entladestrom (I) angeordneten elektrischen Schaltmittel (82) zur Unterbrechung des Lade- oder Entladestroms (I) und mit einer parallel zu dem elektrischen Schaltmittel (82) geschalteten Suppressordiode (84) zum Schutz des elektrischen Schaltmittels (82) vor einer Überspannung, insbesondere beim Öffnen des elektrischen Schaltmittels (82), dadurch gekennzeichnet, dass zur Dämpfung von durch einen Schaltvorgang des elektrischen Schaltmittels (82), insbesondere einem Öffnen des elektrischen Schaltmittels (82), hervorgerufenen Transienten ein elektrisches Dämpfungsglied (86) parallel zu der Suppressordiode (84) geschaltet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichers sowie einen elektrischen Verbraucher und einen Wechselakkupack mit der erfindungsgemäßen Steuerschaltung und ein System bestehend aus einem als eine Handwerkzeugmaschine ausgebildeten elektrischen Verbraucher und zumindest einem als Wechselakkupack ausgebildeten Energiespeicher nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Zum Schutz eines elektrischen Energiespeichers und/oder eines damit betreibbaren elektrischen Verbrauchers ist häufig ein elektrisches Schaltmittel in einem Strompfad vorgesehen, um die Energieversorgung in einem kritischen Lastzustand unterbrechen zu können. Wird das elektrische Schaltmittel jedoch unter Last geöffnet, entsteht in der Regel eine hohe thermische und elektrische Belastung. Im Stand der Technik ist vorgesehen, diese Belastung auf mehrere elektrische Bauteile zu verteilen. So kann beispielsweise parallel zum Schaltmittel eine so genannte TVS-Diode (Transient Voltage Suppressor - im Folgenden auch als Suppressordiode bezeichnet) zum Schutz des elektrischen Schaltmittels vor einer Überspannung, insbesondere beim Öffnen des elektrischen Schaltmittels, geschaltet sein. Eine derartige Schutzschaltung bietet jedoch keinen vollen Schutz in jeder Phase des Öffnens des elektrischen Schaltmittels, da die Reaktionszeit der Suppressordiode bedingt durch ihre Bauform begrenzt ist. Daher ist das elektrische Schaltmittel insbesondere zu Beginn des Öffnungsvorgangs für eine bestimmte Zeit ungeschützt und kann irreversibel beschädigt werden. Wird durch die resultierende Überspannung darüber hinaus die Suppressordiode zerstört, kann ein Kurzschluss entstehen, der zu einem signifikanten Schaden im elektrischen Energiespeicher und/oder im elektrischen Verbraucher führt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, gegenüber dem Stand der Technik einen verbesserten Schutz eines elektrischen Energiespeichers und/oder eines damit betreibbaren elektrischen Verbrauchers insbesondere bei einem kurzzeitigen Unterbrechen der Energieversorgung durch ein entsprechendes elektrisches Schaltmittel im Strompfad zu erzielen.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Steuerschaltung zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichers mit zumindest einem in einem Strompfad für einen Lade- oder Entladestrom angeordneten Schaltmittel zur Unterbrechung des Lade- oder Entladestroms und mit einer parallel zu dem Schaltmittel geschalteten Suppressordiode zum Schutz des elektrischen Schaltmittels vor einer Überspannung, insbesondere beim Öffnen des elektrischen Schaltmittels. Zur Lösung der obigen Aufgabe ist vorgesehen, dass zur Dämpfung von durch einen Schaltvorgang des elektrischen Schaltmittels, insbesondere einem Öffnen des elektrischen Schaltmittels, hervorgerufenen Transienten ein elektrisches Dämpfungsglied parallel zu der Suppressordiode geschaltet ist. Ein derartiges elektrisches Dämpfungsglied wird häufig auch als Snubber bezeichnet. Durch das Dämpfungsglied bzw. den Snubber können effektiv und mit geringem Aufwand schnelle Transienten abgeleitet werden. Auf diese Weise ist ein Schutz während des gesamten Schaltvorgangs, insbesondere während des gesamten Ausschaltvorgangs, des elektrischen Schaltmittels gewährleistet. Zudem kann einer etwaigen Zerstörung des Energiespeichers und/oder des elektrischen Verbrauchers bei einem derartigen Schaltvorgang wirksam vorgebeugt werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung einen elektrischen Verbraucher und/oder einen elektrischen Energiespeicher mit der erfindungsgemäßen Steuerschaltung sowie ein System bestehend aus einem als eine Handwerkzeugmaschine ausgebildeten elektrischen Verbraucher und zumindest einem als ein Wechselakkupack ausgebildeten elektrischen Energiespeicher. Als elektrischer Verbraucher im Kontext der Erfindung sollen jedoch grundsätzlich alle mittels einem elektrischen Energiespeicher, wie z.B. einem Wechselakkupack oder einem fest integrierten Akkupack, versorgbaren Geräte mit einer elektrischen Last verstanden werden.
Die elektrische Last kann dabei als eine überwiegend induktive Last in Gestalt eines elektromotorischen Antriebs ausgebildet sein. Ebenso sind überwiegend ohmsche oder kapazitive Lasten denkbar. Als elektromotorische Antriebe kommen insbesondere elektrisch kommutierte Elektromotoren (so genannte EC- bzw. BLDC-Motoren) in Frage, deren einzelne Phasen über zumindest einen Leistungstransistor per Pulsweitenmodulation zur Steuerung bzw. Regelung ihrer Drehzahl und/oder ihres Drehmoments angesteuert werden. In diesem Zusammenhang ist die Erfindung auf akkubetriebene Werkzeugmaschinen zur Bearbeitung von Werkstücken mittels eines elektrisch angetriebenen Einsatzwerkzeugs anwendbar. Dabei kann der elektrische Verbraucher sowohl als Handwerkzeugmaschine als auch als stationäre Werkzeugmaschine ausgebildet sein. Typische Werkzeugmaschinen sind in diesem Zusammenhang Hand- oder Standbohrmaschinen, Schrauber, Schlagbohrmaschinen, Hobel, Winkelschleifer, Schwingschleifer, Poliermaschinen oder dergleichen. Als elektrische Verbraucher kommen aber auch Garten- und Baugeräte wie Rasenmäher, Rasentrimmer, Astsägen, Motor- und Grabenfräsen, Gebläse, Roboter-Breaker und -Bagger oder dergleichen, sowie Messgeräte, wie Laser-Entfernungsmesser, Wandscanner, etc., in Frage. Weiterhin ist die Erfindung auf Haushaltgeräte, wie Staubsauger, Mixer, etc., und elektrisch angetrieben Straßen- und Schienenfahrzeuge, wie z.B. E-Bikes, E-Scooter, Pedelecs, Elektro- und Hybrid-Fahrzeuge, etc., sowie Flugzeuge und Schiffe mit einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung anwendbar.
Die Spannungsklasse der Energiespeicher ergibt sich aus der Verschaltung (parallel oder seriell) der einzelnen in der Energiespeicher integrierten Energiespeicherzellen und ist in der Regel ein ganzzahliges Vielfaches (>= 1) der Spannung der einzelnen Energiespeicherzellen. Eine Energiespeicherzelle ist typischerweise als eine galvanische Zelle ausgebildet, die einen Aufbau aufweist, bei dem ein Zellpol an einem Ende und ein weiterer Zellpol an einem gegenüberliegenden Ende zu liegen kommt. Insbesondere weist die Energiespeicherzelle an einem Ende einen positiven Zellpol und an einem gegenüberliegenden Ende einen negativen Zellpol auf. Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Akkuzellen, z.B. Li-lon, Li-Zellpolymer, Li-Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Energiespeicher mit Ni-Cd-, Ni-Mh-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar. Bei gängigen Li-lon-Energiespeicherzellen mit einer Zellspannung von 3,6 V ergeben sich beispielhaft Spannungsklassen von 3,6 V, 7,2 V, 10,8 V, 14,4 V, 18 V, 36 V etc. Bevorzugt ist eine Energiespeicherzelle als zumindest im Wesentlichen zylinderförmige Rundzelle ausgebildet, wobei die Zellpole an Enden der Zylinderform angeordnet sind. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Art und Bauform der verwendeten Energiespeicherzellen abhängig, sondern kann auf beliebige Energiespeichern und -zellen, z.B. neben Rundzellen auch prismatische Zellen, Pouchzellen oder dergleichen, angewendet werden. Die Gleichspannungswerte richten sich in erster Linie nach den typischen Zellspannungen der verwendeten Energiespeicherzellen. So sind z.B. für Pouch-Zellen und/oder Zellen mit anderer elektrochemischer Zusammensetzung Spannungswerte möglich, die von denjenigen der mit Li-lon-Zellen ausgestatteten Energiespeichern abweichen.
Ist der Energiespeicher als Wechselakkupack ausgebildet, kann er über eine elektromechanische Schnittstelle des Wechselakkupacks mit einer entsprechend komplementären, elektromechanischen Schnittstelle des elektrischen Verbrauchers bzw. eines Ladegeräts kraft- und/oder formschlüssig lösbar verbunden werden. Unter einer „lösbaren Verbindung“ soll insbesondere eine werkzeuglos - also von Hand - lösbare und herstellbare Verbindung verstanden werden. Die Ausgestaltung der elektromechanischen Schnittstellen und ihrer Aufnahmen zur kraft- und/oder formschlüssig lösbaren Verbindung sollen nicht Gegenstand dieser Erfindung sein. Ein Fachmann wird je nach Leistungs- bzw. Spannungsklasse eines elektrischen Verbrauchers und/oder eines Wechselakkupacks eine geeignete Ausführungsform für die elektromechanische Schnittstelle wählen, so dass hierauf nicht weiter im Detail eingegangen werden soll. Die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen sind daher nur exemplarisch zu verstehen. So können insbesondere auch Schnittstellen mit mehr als den dargestellten elektrischen Kontakten zum Einsatz kommen.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Parallelschaltung aus Suppressordiode und elektrischem Dämpfungsglied bzw. Snubber eine elektrische Sicherung vorgeschaltet ist. In besonders vorteilhafter Weise kann dadurch im Falle einer Zerstörung der Suppressordiode auch die restliche Elektronik des Energiespeichers und/oder des elektrischen Verbrauchers vor etwaigen Beschädigungen geschützt werden.
Das elektrische Dämpfungsglied umfasst zumindest einen Widerstand und zumindest einen dazu in Reihe geschalteten Kondensator (RC-Snubber). Ergänzend kann vorgesehen sein, dass das elektrische Dämpfungsglied zumindest eine Diode umfasst, die dem zumindest einen Widerstand parallel geschaltet ist (RDC-Snubber). Alternativ oder ergänzend kann das elektrische Dämpfungsglied darüber hinaus zumindest zwei in Reihe und/oder parallel geschaltete Kondensatoren (CC-Snubber) umfassen. Je nach Schaltungsvariante lassen sich somit in Abhängigkeit vom Aufwand unterschiedliche Schutzwirkungen erzielen.
Der Strompfad kann entweder mit einem ersten Bezugspotential, vorzugsweise einem Versorgungspotential, oder mit einem zweiten Bezugspotential, vorzugsweise einem Massepotential, beaufschlagt sein, wobei die Parallelschaltung aus Suppressordiode und elektrischem Dämpfungsglied zwischen dem ersten Bezugspotential und dem zweiten Bezugspotential geschaltet ist. Dies erlaubt eine besonders einfache Verschaltung mit hoher Schutzwirkung.
Ausführungsbeispiele
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der 1 bis 5 beispielhaft erläutert, wobei gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche Bestandteile mit einer gleichen Funktionsweise hindeuten.
Es zeigen

1: ein System bestehend aus zumindest einem als Wechselakkupack ausgebildeten elektrischen Energiespeicher und zumindest einem mit dem Wechselakkupack verbindbaren Elektrogerät zum Laden oder Entladen des Wechselakkupacks in einer schematischen Darstellung,
2: ein Blockschaltbild des Systems nach 1 mit einem Wechselakkupack und einem als Ladegerät ausgebildeten Elektrogerät mit einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung in einem ersten Ausführungsbeispiel,
3: ein Blockschaltbild des Systems nach 1 mit einem Wechselakkupack und einem als Ladegerät ausgebildeten Elektrogerät mit einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung in einem zweiten Ausführungsbeispiel,
4: ein Blockschaltbild des Systems nach 1 mit einem Wechselakkupack mit einer erfindungsgemäßen Steuerschaltung und einem als elektrischen Verbraucher ausgebildeten Elektrogerät in einem dritten Ausführungsbeispiel und
5: ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der relevanten Spannungen und Ströme nach dem Auftreten eines Kurzschlusses im Ladegerät gemäß 2.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein System umfassend einen als Wechselakkupack 10 ausgebildeten elektrischen Energiespeicher 12 mit einer ersten, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 14 aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle 16 und ein Elektrogerät 18, insbesondere ein Ladegerät 20, ein Diagnosegerät 22 oder einen elektrischen Verbraucher 24, mit einer weiteren, eine Mehrzahl elektrischer Kontakte 14 aufweisenden elektromechanischen Schnittstelle 26. 1 soll veranschaulichen, dass das erfindungsgemäße System ohne Einschränkung der Erfindung für verschiedene, mit Wechselakkupacks 10 betriebene elektrische Verbraucher 24 geeignet ist. Dabei sind exemplarisch ein Akkustaubsauger 28, ein Akkuschlagschrauber 30 und ein Akkurasentrimmer 32 gezeigt. Im Kontext der Erfindung können jedoch verschiedenste Elektrowerkzeuge, Gartengeräte und Haushaltsgeräte als elektrische Verbraucher 24 in Frage kommen. Auch ist die Anzahl der Wechselakkupacks 10 innerhalb des Systems veränderbar. So kann das System auch mehrere Wechselakkupacks 10 umfassen. Zudem ist denkbar, dass die einzelnen elektrischen Verbraucher 24 statt eines Wechselakkupacks 10 mittels eines fest integrierten Energiespeichers 12 versorgt werden. Weiterhin sei angemerkt, dass in 1 das Ladegerät 18 und das Diagnosegerät 20 zwar als ein- und dasselbe Elektrogerät 16 dargestellt sind, weil ein Ladegerät 18 durchaus auch eine Diagnosefunktion aufweisen kann, es aber ohne Einschränkung der Erfindung denkbar ist, dass das Diagnosegerät 20 keine Ladefunktion aufweist, sondern nur zur reinen Diagnose des Wechselakkupacks 10 auf elektrische Fehlerzustände dient.
Bei dem Wechselakkupack 10 handelt es sich im Wesentlichen um einen herkömmlichen Wechselakkupack für Elektrowerkzeuge mit einem Gehäuse 34, das an einer ersten Seitenwand bzw. seiner Oberseite 36 die erste elektromechanische Schnittstelle 16 zur lösbaren Verbindung mit der elektromechanischen Schnittstelle 26 des Elektrogeräts 18 aufweist. In Verbindung mit dem elektrischen Verbraucher 24 dienen die erste und die weitere elektromechanische Schnittstelle 16, 26 primär dem Entladen des Wechselakkupacks 10, während sie in Verbindung mit dem Ladegerät 20 dem Aufladen und in Verbindung mit dem Diagnosegerät 22 der Fehlerdiagnose des Wechselakkupacks 10 dient. Die genaue Ausgestaltung der ersten und der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 16, 26 ist abhängig von verschiedenen Faktoren, wie beispielsweise der Spannungsklasse des Wechselakkupacks 10 bzw. des Elektrogerät 18 und diversen Herstellerspezifikationen. So können z.B. drei oder mehr elektrische Kontakte 14 zur Energie- und/oder Datenübertragung zwischen dem Wechselakkupack 10 und dem Elektrogerät 18 vorgesehen sein. Auch ist eine mechanische Kodierung denkbar, so dass der Wechselakkupack 10 nur an bestimmten Elektrogeräten 18 betreibbar ist. Da die mechanische Ausgestaltung der ersten elektromechanischen Schnittstelle 16 des Wechselakkupacks 10 und der weiteren elektromechanischen Schnittstelle 26 des Elektrogeräts 18 für die Erfindung unerheblich ist, soll hierauf nicht weiter im Detail eingegangen werden. Sowohl ein Fachmann als auch ein Bediener des Wechselakkupacks 10 und des Elektrogeräts 18 werden diesbezüglich die geeignete Auswahl treffen.
Der Wechselakkupack 10 verfügt über eine mechanische Arretiervorrichtung 38 zur Arretierung der form- und/oder kraftschlüssig lösbaren Verbindung der ersten elektromechanischen Schnittstelle 16 des Wechselakkupack 10 an der entsprechenden Gegenschnittstelle 26 (nicht im Detail gezeigt) des elektrischen Verbrauchers 24. Dabei ist die Arretiervorrichtung 38 als ein gefederter Drücker 40 ausgebildet, der mit einem Arretierglied 42 des Wechselakkupacks 10 wirkverbunden ist. Aufgrund der Federung des Drückers 40 und/oder des Arretierglieds 42 rastet die Arretiervorrichtung 38 beim Einschieben des Wechselakkupacks 10 in die elektromechanische Gegenschnittstelle 26 des elektrischen Verbrauchers 24 automatisch ein. Drückt ein Bediener den Drücker 40 in Einschubrichtung, wird die Arretierung gelöst und der Bediener kann den Wechselakkupack 10 entgegen der Einschubrichtung aus dem elektrischen Verbraucher 24 entnehmen bzw. ausschieben.
Wie bereits eingangs erwähnt, ergibt sich die Akkuspannung des Wechselakkupacks 10 in der Regel aus einem Vielfachen der Einzelspannungen der Energiespeicherzellen (nicht gezeigt) in Abhängigkeit ihrer Verschaltung (parallel oder seriell). Bevorzugt sind die Energiespeicherzellen als lithiumbasierte Akkuzellen, z.B. Li-Ion, Li-Po, Li-Metall oder dergleichen, ausgebildet. Die Erfindung ist aber auch für Wechselakkupacks mit Ni-Cd-, Ni-MH-Zellen oder andere geeignete Zellenarten anwendbar.
In 2 ist das System aus 1 als Blockschaltbild mit dem als Wechselakkupack 10 ausgebildeten Energiespeicher 12 auf der linken Seite und dem als Ladegerät 20 ausgebildeten Elektrogerät 18 auf der rechten Seite dargestellt. Wechselakkupack 10 und Ladegerät 18 weisen die zueinander korrespondierenden elektromechanischen Schnittstellen 16 und 26 mit einer Mehrzahl elektrischer Kontakte 14 auf, wobei jeweils ein erster der elektrischen Kontakte 14 der Schnittstellen 16, 26 als ein mit einem ersten Bezugspotential V₁, vorzugsweise einem Versorgungspotential V₊, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt 44 und jeweils ein zweiter der elektrischen Kontakte 14 der Schnittstellen 16, 26 als ein mit einem zweiten Bezugspotential V₂, vorzugsweise einem Massepotential GND, beaufschlagbarer Energieversorgungskontakt 46 dient. Über den ersten und den zweiten Energieversorgungskontakt 44, 46 kann der Wechselakkupack 10 einerseits durch das Ladegerät 20 geladen werden. Andererseits erfolgt darüber auch ein Entladen des Wechselakkupacks 10 für den Fall, dass das Elektrogerät 18 als ein elektrischer Verbraucher 24 ausgebildet ist. Der Begriff „beaufschlagbar“ soll verdeutlichen, dass die Potentiale V, und GND insbesondere im Falle eines als elektrischen Verbraucher 24 ausgebildeten Elektrogeräts 18 nicht dauerhaft an den Energieversorgungskontakten 44, 46 anliegen, sondern erst nach Verbindung der elektrischen Schnittstellen 16, 26. Entsprechendes gilt für einen entladenen Wechselakkupack 10 nach Verbindung mit dem Ladegerät 20.
Der Wechselakkupack 10 weist eine Mehrzahl von Energiespeicherzellen 48 auf, die zwar in 2 als eine Reihenschaltung dargestellt sind, alternativ oder ergänzend aber auch in einer Parallelschaltung betrieben werden können, wobei die Reihenschaltung die über die Energieversorgungskontakte 44, 46 abfallende Spannung U_Batt des Wechselakkupacks definiert, während eine Parallelschaltung einzelner Energiespeicherzellen 48 primär die Kapazität des Wechselakkupacks 10 erhöht. Es können auch einzelne aus parallel verschalteten Energiespeicherzellen 48 bestehende Zell-Cluster in Reihe geschaltet werden, um eine bestimmte Spannung U_Batt des Wechselakkupacks 10 bei gleichzeitig erhöhter Kapazität zu erzielen. Bei gängigen Li-lon-Energiespeicherzellen 48 mit einer Zellspannung U_Cell von jeweils 3,6 V fällt im vorliegenden Ausführungsbeispiel über die Energieversorgungskontakte 44, 46 eine Batteriespannung U_Batt = V₁ - V₂ von 5 • 3,6 V = 18 V ab. Je nach Anzahl der in einem Zell-Cluster parallel geschalteten Energiespeicherzellen 48 kann die Kapazität gängiger Wechselakkupacks 10 bis zu 12 Ah oder mehr betragen. Die Erfindung ist jedoch nicht von der Art, Bauform, Spannung, Stromlieferfähigkeit, etc. der verwendeten Energiespeicherzellen 48 abhängig, sondern kann auf beliebige Energiespeicher 12 und Energiespeicherzellen 48 angewendet werden.
Zur Überwachung der einzelnen, in Reihe geschalteten Energiespeicherzellen 48 bzw. Zell-Cluster des Wechselakkupacks 10 ist eine SCM-Vorstufe 50 (Single-Cell-Monitoring) vorgesehen. Die SCM-Vorstufe 50 weist eine Multiplexer-Messvorrichtung 52 auf, die über Filterwiderstände 54 hochohmig mit entsprechenden Abgriffen 56 der Pole der Energiespeicherzellen 48 bzw. Zell-Cluster verbindbar ist. Zur Erfassung der einzelnen Zellspannungen U_Cell schaltet die Multiplexer-Messvorrichtung 52, beispielsweise über integrierte, aber nicht näher gezeigte Transistoren, derart sequenziell zwischen den einzelnen Abgriffen 56 um, dass sie jeweils mit einem Plus- und einem Minuspol der zu messenden Energiespeicherzelle 48 bzw. des zu messenden Zell-Clusters verbunden ist. Im Folgenden soll der Begriff Energiespeicherzelle auch das Zell-Cluster umfassen, da diese lediglich Einfluss auf die Kapazität des Wechselakkupacks 10 haben, für die Erfassung der Zellspannungen U_Cell aber gleichbedeutend sind. Die insbesondere hochohmig ausgestalteten Filterwiderstände 54 können insbesondere im Fehlerfall eine gefährliche Erwärmung der Messeingänge der Multiplexer-Messvorrichtung 52 verhindern.
Das Umschalten der Multiplexer-Messvorrichtung 52 erfolgt über eine erste im Wechselakkupack 10 integrierte Überwachungseinheit 58, die Teil einer Steuerschaltung 60 ist. Die erste Überwachungseinheit 58 kann zudem parallel zu den Energiespeicherzellen 48 geschaltete Schaltelemente 62 der SCM-Vorstufe 50 schließen oder öffnen, um auf diese Weise ein so genanntes Balancing der Energiespeicherzellen 48 zur Erzielung einheitlicher Lade- bzw. Entladezustände der einzelnen Energiespeicherzellen 48 zu bewirken. Es ist ebenfalls denkbar, dass die SCM-Vorstufe 50 die gemessenen Zellspannungen U_Cell direkt an die erste Überwachungseinheit 58 durchreicht, so dass die eigentliche Messung der Zellspannungen U_Cell direkt von der ersten Überwachungseinheit 58, beispielsweise über entsprechenden Analog-Digital-Umwandler (ADC) durchgeführt wird.
Die erste Überwachungseinheit 58 kann als ein integrierter Schaltkreis in Form eines Mikroprozessors, ASICs, DSPs oder dergleichen ausgebildet sein. Ebenso ist aber auch denkbar, dass die erste Überwachungseinheit 58 aus mehreren Mikroprozessoren oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen mit entsprechender Transistorlogik besteht. Zudem kann die erste Überwachungseinheit 58 einen Speicher zur Speicherung von Betriebsparametern des Wechselakkupacks 10, wie beispielsweise der Spannung U_Batt, den Zellspannungen U_Cell, einer Temperatur T, eines Lade- oder Entladestroms I oder dergleichen aufweisen.
Neben der ersten Überwachungseinheit 58 im Wechselakkupack 10 weist auch das Elektrogerät 18 des Systems eine weitere Überwachungseinheit 64 einer entsprechenden Steuerschaltung 60 auf, die analog der ersten Überwachungseinheit 58 ausgebildet sein kann. Die erste und die weitere Überwachungseinheit 58 bzw. 64 können Informationen über einen dritten als Signal- bzw. Datenkontakt 66 ausgebildeten Kontakt 14 der beiden elektromechanischen Schnittstellen 16, 26 vorzugsweise digital austauschen.
Die weitere Überwachungseinheit 64 des als Ladegerät 20 ausgebildeten Elektrogeräts 18 steuert eine mit dem ersten und dem zweiten Energieversorgungskontakt 44, 46 der weiteren Schnittstelle 26 verbundene Leistungsendstufe 68, über die der in das Ladegerät 20 eingesteckte Wechselakkupack 10 mit dem über entsprechende Strompfade 70 fließenden Ladestrom I und der dem Wechselakkupack 10 entsprechenden Spannung U_Batt geladen werden kann. Zu diesem Zweck ist das Ladegerät 20 bzw. die Leistungsendstufe 68 mit einem nicht gezeigten Netzanschluss versehen. Die an den Energieversorgungskontakten 44, 46 anliegende Spannung U_Batt kann über eine Spannungsmessvorrichtung 72 im Ladegerät 20 gemessen und von der weiteren Überwachungseinheit 64 ausgewertet werden. Die Spannungsmessvorrichtung 72 kann auch vollständig oder zum Teil in der Überwachungseinheit 62 integriert sein, beispielsweise in Form eines integrierten ADC.
Mittels eines im Wechselakkupack 10 angeordneten Temperatursensors 74, der vorzugsweise als NTC ausgebildet ist und im engen thermischen Kontakt mit mindestens einer der Energiespeicherzellen 48 steht, kann eine Temperatur T des Wechselakkupacks 10 bzw. der Energiespeicherzellen 48 gemessen und von der weiteren Überwachungseinheit 64 des Ladegeräts 20 ausgewertet werden. Dazu ist der Temperatursensor 74 einerseits mit dem am zweiten Energieversorgungskontakt 46 anliegenden zweiten Bezugspotential V₂, insbesondere mit dem Massepotential GND, und andererseits mit einem als Signal- bzw. Datenkontakt 78 ausgebildeten Kontakt 14 der ersten Schnittstelle 16 des Wechselakkupacks 10 verbunden. Entsprechend ist ein Signal- bzw. Datenkontakt 78 in der weiteren Schnittstelle 26 des Ladegeräts 20 vorgesehen, der mit der weiteren Überwachungseinheit 64 verbunden ist. Weiterhin besteht eine Verbindung zwischen dem Signal- bzw. Datenkontakt 78 der ersten Schnittstelle 16 des Wechselakkupacks 10 und der ersten Überwachungseinheit 58 des Wechselakkupacks 10. Darüber kann die erste Überwachungseinheit 58 feststellen, ob die vom Temperatursensor 74 gemessene Temperatur T von der weiteren Überwachungseinheit 64 des Ladegeräts 20 abgefragt wurde. Ist dies der Fall, wird die erste Überwachungseinheit 58 automatisch von einem Ruhemodus in einen Betriebsmodus versetzt. Erfolgt keine derartige Abfrage, erlaubt der Ruhemodus der ersten Überwachungseinheit 58 aufgrund des reduzierten Ruhestroms deutlich längere Ruhe- und Lagerzeiten des Wechselakkupacks 10.
Damit das Ladegerät 20 den Wechselakkupack 10 identifizieren und ggf. zum Laden freigeben kann, weist der Wechselakkupack 10 einen Kodierwiderstand 80 auf, der auf einer Seite mit dem am zweiten Energieversorgungskontakt 46 anliegenden zweiten Bezugspotential V₂, insbesondere mit dem Massepotential GND, und auf der anderen Seite mit dem als Signal- oder Datenkontakt 66 ausgebildeten dritten Kontakt 14 der ersten Schnittstelle 16 des Wechselakkupacks 10 verbunden ist. Stimmt der Widerstandswert des Kodierwiderstands 80 mit einem in der weiteren Überwachungseinheit 64 des Ladegeräts 20 hinterlegen Wert überein, so gibt das Ladegerät 20 den Ladevorgang frei und lädt den Wechselakkupack 10 entsprechend der in einer Look-Up-Tabelle hinterlegten Ladeparameter, insb. dem Ladestrom I, der Ladespannung U_Batt, dem zulässigen Temperaturbereich, etc. auf.
Die Steuerschaltung 60 des Ladegeräts 20 weist in dem mit dem ersten Bezugspotential V₁ bzw. dem Versorgungspotential V, beaufschlagten Strompfad 70 für den Ladestrom I zumindest ein elektrisches Schaltmittel 82 zur Unterbrechung des Ladestroms I bzw. der Energieversorgung insbesondere in einem kritischen Lastzustand auf. Entsteht beispielsweise während des Betriebs ein Kurzschluss in der Elektronik des Ladegeräts 20 und/oder des Wechselakkupacks 10, so führt dies zur sofortigen Notabschaltung, indem die weitere Überwachungseinheit 64 des Ladegeräts 20 das elektrische Schaltmittel 82 öffnet. Wird das elektrische Schaltmittel 82 unter Last geöffnet, entsteht jedoch in der Regel eine hohe thermische und elektrische Belastung infolge eines stark ansteigenden Ladestroms I zumindest bis zur Erkennung des Fehlers, die zu einer Zerstörung der elektrischen Bauteile des Wechselakkupacks 10 und/oder des Ladegeräts 20 führen kann. Die Stromanstiegsgeschwindigkeit wird dabei nur durch den Innenwiderstand und die Induktivität der Strompfade 70 begrenzt. Das elektrische Schaltmittel 82 kann beispielsweise als ein MOSFET, ein Bipolartransistor, ein IGBT, ein Relais oder dergleichen realisiert sein.
Mittels einer TVS- bzw. Suppressordiode 84 kann das elektrische Schaltmittel 82, insbesondere bei dessen Öffnungsvorgang, derart geschützt werden, dass die Suppressordiode 84 eine etwaig entstehende Überspannung an das zweite Bezugspotential V₂ bzw. das Massepotential GND ableitet. Dazu ist die Kathode der Suppressordiode 84 mit dem ersten Bezugspotential V₁ bzw. dem Versorgungspotential V, und die Anode mit dem zweiten Bezugspotential V₂ bzw. dem Massepotential GND beaufschlagt. Eine derartige Schutzschaltung bietet jedoch keinen vollen Schutz in jeder Phase des Öffnens des elektrischen Schaltmittels 82, da die Reaktionszeit der Suppressordiode 84 bedingt durch ihre Bauform begrenzt ist. Daher ist das elektrische Schaltmittel 82 insbesondere zu Beginn des Öffnungsvorgangs für eine bestimmte Zeit ungeschützt und kann irreversibel beschädigt werden. Wird durch die resultierende Überspannung darüber hinaus die Suppressordiode 84 zerstört, kann ein Kurzschluss entstehen, der zu einem signifikanten Schaden im Wechselakkupack 10 und/oder im Ladegerät 20 führt. Zur Dämpfung von durch den Schaltvorgang hervorgerufenen Transienten ist ein elektrisches Dämpfungsglied 86 parallel zu der Suppressordiode 84 geschaltet. Das elektrische Dämpfungsglied 86 umfasst einen Widerstand 88 und einen dazu in Reihe geschalteten Kondensator 90. Ferner ist dem Widerstand 88 eine Diode 92 derart parallel geschaltet, dass ihre Anode mit dem ersten Bezugspotential V₁ bzw. dem Versorgungspotential V, beaufschlag ist. Ein derartiges elektrisches Dämpfungsglied 86 wird aufgrund seiner verwendeten Bauteile auch als RDC-Snubber bezeichnet, der einen wirksamen Schutz während des gesamten Schaltvorgangs, insbesondere während des gesamten Ausschaltvorgangs, des elektrischen Schaltmittels 82 gewährleistet, womit auch einer etwaigen Zerstörung des Wechselakkupacks 10 und/oder des Ladegeräts 20 wirksam vorgebeugt werden kann.
Der aus der Suppressordiode 84 und dem elektrischem Dämpfungsglied bzw. dem Snubber 86 gebildeten Parallelschaltung ist darüber hinaus eine elektrische Sicherung 94 vorgeschaltet, um sowohl die Suppressordiode 84 als auch das elektrische Dämpfungsglied 86 vor einer möglichen Zerstörung zu schützen. Es ist ebenso möglich, dass die elektrische Sicherung 94 nur der Suppressordiode 84 selbst vorgeschaltet ist, um sie vor einer Zerstörung zu schützen.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Steuerschaltung 60 für das Ladegerät 20. Da bis auf die Anordnung der Suppressordiode 84, des elektrischen Dämpfungsglieds 86, der elektrischen Sicherung 94 und des elektrischen Schaltmittels 82 sämtliche Bauteile und Baugruppen des Wechselakkupacks 10 und des Ladegeräts 20 identisch sind, soll nachfolgend nicht nochmals im Detail hierauf eingegangen werden. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist die Suppressordiode 84 samt parallel geschaltetem Dämpfungsglied 86 und vorgeschalteter Sicherung 94 nun direkt dem elektrischen Schaltmittel 82 im mit dem ersten Bezugspotential V₁ bzw. Versorgungspotential V, beaufschlagten Strompfad 70 parallel geschaltet.
Im Unterschied zu den 2 und 3 ist das Elektrogerät 18 in 4 nicht mehr als ein Ladegerät 20, sondern als ein elektrischer Verbraucher 24, beispielsweise als ein Elektrowerkzeug, ein Gartengerät oder dergleichen gemäß 1, ausgebildet. Analog dem Ladegerät 20 weist die Steuerschaltung 60 des elektrischen Verbrauchers 24 die weitere Überwachungseinheit 64 auf, die über den dritten als Signal- bzw. Datenkontakt 66 ausgebildeten Kontakt 14 der beiden elektromechanischen Schnittstellen 16, 26 unter anderem Informationen über den Kodierwiderstand 80 des Wechselakkupacks 10 vorzugsweise digital erfasst. Dazu vergleicht die weitere Überwachungseinheit 64 den erfassten Widerstandswert des Kodierwiderstands 80 mit einem in ihrem Speicher hinterlegten Wert. Stimmen die Werte nicht überein, wird der Entladevorgang des Wechselakkupacks 10 abgebrochen bzw. nicht erlaubt, so dass der elektrische Verbraucher 24 nicht in Betrieb genommen werden kann. Bei Übereinstimmung kann ein Bediener den elektrischen Verbraucher 24 in Betrieb nehmen. Mit besonderem Vorteil erlaubt dies einen Betrieb von Wechselakkupacks 10 unterschiedlicher Leistungsklassen mit gleichen elektromechanischen Schnittstellen 16 bzw. 26. Es versteht sich von selbst, dass die im Ladegerät 20 enthaltende Leistungsendstufe 68 gemäß der 2 und 3 im Falle eines elektrischen Verbrauchers 24 als Antriebseinheit, beispielsweise als ein Elektromotor (ggf. mit entsprechend vorgeschalteter Leistungsendstufe) oder eine andere Energie verbrauchende Einheit ausgebildet ist. Auf die Ausgestaltung einer derartigen Einheit soll hier nicht weiter eingegangen werden, da sie dem Fachmann für unterschiedlichste Arten von elektrischen Verbrauchern 24 hinlänglich bekannt ist und zudem für die Erfindung als solche keine entscheidende Bedeutung hat. Statt des einen Kodierwiderstands 80 kann ergänzend auch ein weiterer Kodierwiderstand im Wechselakkupack 10 zum Einsatz kommen, um zwischen dem Ladevorgang in Verbindung mit dem Ladegerät 20 und dem Entladevorgang in Verbindung mit dem elektrischen Verbraucher 24 unterscheiden zu können.
Ein weiterer Unterschied zwischen den Ausführungsbeispielen gemäß der 2 und 3 und dem Ausführungsbeispiel gemäß 4 besteht darin, dass die Suppressordiode 84, das als RDC-Snubber ausgebildete, elektrische Dämpfungsglied 86, die elektrische Sicherung 94 und das elektrische Schaltmittel 82 Bestandteile der Steuerschaltung 60 des Wechselakkupacks 10 sind, wobei die aus der Suppressordiode 84, dem RDC-Snubber 86 und der elektrischen Sicherung 94 gebildete Schaltungsanordnung entsprechend 2 zwischen dem mit dem Versorgungspotential V, beaufschlagten ersten Energieversorgungskontakt 44 und dem mit dem Massepotential GND beaufschlagten zweiten Energieversorgungskontakt 46 der elektromechanischen Schnittstelle 16 geschaltet ist. Zudem ist das elektrische Schaltmittel 82 zur Unterbrechung des Entladestroms I bzw. der Energieversorgung insbesondere in einem kritischen Lastzustand in den mit dem Massepotential GND beaufschlagten Strompfad 70 geschaltet, wobei die Steuerung des elektrischen Schaltmittels 82 über die erste Überwachungseinheit 58 des Wechselakkupacks 10 erfolgt. Ergänzend oder alternativ kann das elektrische Schaltmittel 82 aber auch mittels der weiteren Überwachungseinheit 64 des elektrischen Verbrauchers 24 über den dritten und/oder vierten als Signal- bzw. Datenkontakt 66, 78 ausgebildeten Kontakt 14 der beiden elektromechanischen Schnittstellen 16, 26 gesteuert werden. Selbstverständlich ist es unter Bezugnahme auf 3 ebenso denkbar, dass die aus der Suppressordiode 84, dem elektrischen Dämpfungsglied 86 und der elektrischen Sicherung 94 gebildete Schaltungsanordnung unmittelbar parallel zum elektrischen Schaltmittel 82 geschaltet ist.
5 zeigt ein Diagramm des Verlaufs der Batteriespannung U_Batt, des Kurzschlussstroms I_SC, des Ladestroms I, des Stroms I_C durch den Kondensator 102 des elektrischen Dämpfungsglieds 86 und des Strom I_TVS durch die Suppressordiode 84 nach dem Auftreten eines Kurzschlusses in der Leistungsendstufe 68 des Ladegeräts 20 gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 2 in Abhängigkeit von der Zeit t in µs. Dabei stellt 5b einen zeitlichen Ausschnitt aus 5a dar.
Die nominelle Batteriespannung U_Batt des Wechselakkupacks 10 beträgt 36 V. Zum Zeitpunkt t₁ kommt es gemäß 5a zu einem unvorhergesehenen Kurzschluss in der Leistungsendstufe 68 des Ladegeräts 20, woraufhin die Batteriespannung U_Batt bis zum Ausschalten des entsprechenden Leistungstransistors in der Leistungsendstufe 68 durch die weitere Überwachungseinheit 64 der Steuerschaltung 60 des Ladegeräts 20 zum Zeitpunkt t₂ nach ca. 25 µs auf ca. 25 V absinkt. Entsprechend steigen der Kurzschlussstrom Isc in der Leistungsendstufe 68 und der Ladestrom I des Wechselakkupacks 10 innerhalb dieses Zeitfensters an. Zum Zeitpunkt t₂ fallen die Ströme I und Isc wieder ab, während die Batteriespannung U_Batt auf ihren Nominalwert springt. Zum Zeitpunkt t₃ wird dann durch die weitere Überwachungseinheit 64 das elektrische Schaltmittel 82 geöffnet bzw. ausgeschaltet, um den Ladestrom I bzw. die Energiezufuhr zu unterbrechen. Der Kurzschlussstrom I_SC hat bis dahin zwar nahezu wieder den Wert Null erreicht, andererseits entsteht durch das Ausschalten des elektrischen Schaltmittels 82 eine Transiente in Gestalt einer Überspannung der Batteriespannung U_Batt, die möglichst schnell abgeleitet werden muss. Diese Aufgabe erfüllt das erfindungsgemäße Dämpfungsglied 86 gemäß 5b dadurch, dass der resultierende Ströme I_TVS ab dem Zeitpunkt t₄ durch die Suppressordiode 84 geführt werden kann. Dabei wird die Energie im Kondensator 90 des elektrischen Dämpfungsglieds 86 gespeichert, bis die Suppressordiode 84 im zum Zeitpunkt t₅ signifikant leitfähig geworden ist. Im Anschluss kann die gespeicherte Energie dissipativ über den Widerstand 88 des elektrischen Dämpfungsglieds 86 in Wärme umgesetzt werden.
Es sei abschließend noch darauf hingewiesen, dass die gezeigten Ausführungsbeispiel weder auf die 1 bis 5 noch auf die genannten bzw. gezeigten Werte für die Spannungen und Ströme beschränkt sind. Zudem können die entsprechenden Grundschaltungen aus Einzelbauteilen (z.B. Kondensatoren, Dioden, Widerstände, etc.), aus einer Parallel- oder Reihenschaltung oder einer antiseriellen Reihenschaltung der elektrischen Bauteile oder aus einer beliebigen Kombination dieser Schaltungsvarianten bestehen.

Claims

Steuerschaltung (60) zum Betrieb eines elektrischen Energiespeichers (12) mit zumindest einem in einem Strompfad (70) für einen Lade- oder Entladestrom (I) angeordneten elektrischen Schaltmittel (82) zur Unterbrechung des Lade- oder Entladestroms (I) und mit einer parallel zu dem elektrischen Schaltmittel (82) geschalteten Suppressordiode (84) zum Schutz des elektrischen Schaltmittels (82) vor einer Überspannung, insbesondere beim Öffnen des elektrischen Schaltmittels (82), dadurch gekennzeichnet, dass zur Dämpfung von durch einen Schaltvorgang des elektrischen Schaltmittels (82), insbesondere einem Öffnen des elektrischen Schaltmittels (82), hervorgerufenen Transienten ein elektrisches Dämpfungsglied (86) parallel zu der Suppressordiode (84) geschaltet ist.
Steuerschaltung (60) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Parallelschaltung aus Suppressordiode (84) und elektrischem Dämpfungsglied (86) eine elektrische Sicherung (94) vorgeschaltet ist.
Steuerschaltung (60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Dämpfungsglied (86) zumindest einen Widerstand (88) und zumindest einen dazu in Reihe geschalteten Kondensator (90) umfasst.
Steuerschaltung (60) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Dämpfungsglied (86) zumindest eine Diode (92) umfasst, die dem zumindest einen Widerstand (88) parallel geschaltet ist.
Steuerschaltung (60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Dämpfungsglied (86) zumindest zwei in Reihe und/oder parallel geschaltete Kondensatoren (90) umfasst.
Steuerschaltung (60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strompfad (70) entweder mit einem ersten Bezugspotential (V₁), vorzugsweise einem Versorgungspotential (V₊), oder mit einem zweiten Bezugspotential (V₂), vorzugsweise einem Massepotential (V₊), beaufschlagt ist und dass die Parallelschaltung aus Suppressordiode (84) und elektrischem Dämpfungsglied (86) zwischen dem ersten Bezugspotential (V₁) und dem zweiten Bezugspotential (V₂) geschaltet ist.
Elektrischer Energiespeicher (12), insbesondere Wechselakkupack (10), mit einer Steuerschaltung (60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Elektrischer Verbraucher (24) mit einer Steuerschaltung (60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6.
System bestehend aus einem als eine Handwerkzeugmaschine (30) ausgebildeten elektrischen Verbraucher (24) nach Anspruch 8 und zumindest einem als ein Wechselakkupack (10) ausgebildeten elektrischen Energiespeicher (12) nach Anspruch 7.