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Gebiet der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
Energieverwaltungssysteme zum Überwachen
und Steuern von elektrischen Energiequellen; genauer gesagt, bezieht
sie sich auf ein Energieverwaltungssystem zum Überwachen und Steuern von elektrischen
Batterien oder Batteriezellen in einem Batteriesatz, das in elektrisch
betriebenen Fahrzeugen unter Verwendung von Radiofrequenzdaten und
Steuersignalübertragung
eingesetzt wird.
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Hintergrund
der Erfindung
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Energieverwaltungssysteme zum Überwachen
und Steuern des Betriebsvorgangs von elektrischen Einrichtungen
in herkömmlichen,
mit Kohlenwasserstoff betriebenen Fahrzeugen sind aus dem Stand
der Technik bekannt. Solche Systeme können ein oder mehrere Elemente
aufweisen, die in der Nähe
der speziellen, elektrischen Einrichtung angeordnet sind, die überwacht
und gesteuert werden soll. Diese Elemente führen die gewünschten Überwachungs-
oder Steuerungsfunktionen in Reaktion auf Steuersignale aus, die
von einer zentralen Steuereinheit oder „Gehirn" bereitgestellt werden. Die zentrale Steuereinheit
ist in der Regel an einer Stelle innerhalb des Fahrzeugs untergebracht,
die entfernt zu den Elementen beabstandet ist, wobei die Einrichtung
mittels eines Kabelbaums elektrisch angeschlossen ist. Die Steuereinheit
kann einen Prozessor aufweisen, der sämtliche, von den Elementen empfangenen
Eingangssignale verarbeitet und dann die Ausgangssignale an Einrichtungen
weiterleitet, um eine spezielle Steuerungsfunktion auszuführen. Der
Prozessor kann entsprechend einem speziellen Steuersystemprogramm
betrieben werden.
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Bei herkömmlichen, mit Kohlenwasserstoff betriebenen
Fahrzeugen ist das Energieverwaltungssystem ein Zusatzmerkmal, das
die elektrischen Funktionen des Fahrzeugs ermöglicht, wie beispielsweise
das Heizen und Kühlen
des Fahrzeuginnenraums, das in einer effizienteren und komfortableren Art
und Weise ausgeführt
werden soll. Solch ein Energieverwaltungssystem kann außerdem so
funktionieren, um den Betriebsvorgang des Motors unter besonderen
Konditionen zu optimieren und dadurch die Effizienz bzw. das Leistungsvermögen des
Motors zu verbessern.
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Das Energieverwaltungssystem ist
jedoch in elektrisch betriebenen Fahrzeugen kein Zusatzmerkmal,
sondern eine Hauptmerkmal, das bei der Überwachung und Steuerung der
Leistung von der Energiequelle selbst von Nutzen ist. Um eine maximale Betriebsleistung
für ein
elektrisch betriebenes Fahrzeug zu erzielen, ist es wünschenswert,
dass die spezielle, elektrische Energiequelle in einer solchen Weise
gesteuert wird, um damit bei einer Vielfalt von unterschiedlichen
Betriebsbedingungen deren maximale Ausgangsleistung herstellen zu
können.
Demzufolge ist es wünschenswert,
dass Energieverwaltungssysteme, die in elektrisch betriebenen Fahrzeugen
von Nutzen sind, in erster Linie zum Überwachen und Steuern der Betriebsparameter
von der Energiequelle selbst betrieben werden, wie zum Beispiel
jene von der Batterie- oder Batteriezellenspannung, anstatt zum Überwachen
und Steuern von zusätzlichen, elektrischen
Funktionen, wie beispielsweise Kühlen und
Heizen des Fahrzeuginnenraums.
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Energieverwaltungssysteme, die in
elektrisch betriebenen Fahrzeugen zum Überwachen und Steuern der elektrischen
Batterien oder von einzelnen Zellen in den Batterien zum Einsatz
kommen und die zum Antrieb eines Elektrofahrzeugs verwendet werden,
sind aus dem Stand der Technik bekannt. Solche Energiesteuerungssysteme
sind jenen ähnlich,
die zuvor erläutert
wurden und in Wasserstoff betriebenen Fahrzeugen eingesetzt werden,
und zwar dahingehend, dass solche Systeme in der Regel ein oder
mehrere Überwachungselemente
und eine zentrale Steuereinheit aufweisen. Die Überwachungselemente sind neben
einer speziellen Batterie oder Batteriezelle positioniert, wobei
die zentrale Steuereinheit innerhalb des Fahrzeugs an einer etwas
entfernt beabstandeten Stelle angeordnet ist. Jedes Überwachungselement
ist mit der zentralen Steuereinheit mittels einer Kabelverbindung
verbunden – normalerweise
mittels eines Kabelbaums -, um die Übertragung von Informationen
von und zu den Überwachungsmodulen
und zur zentralen Steuereinheit zu ermöglichen. Die zentrale Steuereinheit
ist so konfiguriert, um Daten von den Überwachungselementen zu empfangen,
die Daten zu verarbeiten und wiederum Steuersignale an die Überwachungselemente
zu generieren, um damit eine gewünschte Änderung
beim Betriebsvorgang in der Batterie oder Batteriezelle zu bewirken.
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In solchen Systemen werden Steuersignale von
der zentralen Steuereinheit an ein Überwachungselement und Informationen
von den Überwachungselementen
an die zentrale Steuereinheit über Kabel
geleitet, die durch das Fahrzeug führen und außerdem jedes Überwachungselement
mit der zentralen Steuereinheit verbinden. Die Kabel können entweder
zusammengebündelt
sein und entlang eines Hauptkabelbaums des elektrischen Fahrzeugsystems
führen,
oder sie können
von dem Hauptkabelbaum getrennt geleitet werden.
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Ein auf Kabeln basierendes Energieverivaltungssystem
zum Überwachen
und Steuern der Betriebsparameter einer Energiequelle in einem elektrisch
betriebenen Fahrzeug ist aus einer Reihe von Gründen nicht wünschenswert.
Der Einsatz von Kabeln, die zu jenen in dem elektrischen Fahrzeugsystem
bereits vorhandenen hinzukommen, können das Fahrzeuggewicht um
nahezu fünfzig
Pfund erhöhen. Ein
solch zusätzliches
Gewicht kann die Fahrzeugbeschleunigung reduzieren und die Batterieladefrequenz
erhöhen.
Der Einsatz eines auf Kabeln basierendes Energieverwaltungssystem
erhöht
außerdem die
Produktionskosten des Fahrzeugs, sowohl auf Grund des mit der Installierung
der zusätzlichen
Kabel verbundenen Zeitaufwands als auch wegen der Kosten für die Kabel
selbst. Der Einsatz eines auf Kabeln basierenden Energieverwaltungssystems
erhöht
ferner die Kosten für
die Instandhaltung des Systems auf Grund der kurzen Entfernung der
Kabel, welche die Überwachungselemente
mit den Batterien verbinden, weil dadurch Korrosionsschäden entstehen
können.
Solche Korrosionsschäden
wirken sich wiederum nachteilig auf die Zuverlässigkeit und die betriebliche
Nutzungsdauer eines auf Kabeln basierenden Energieverwaltungssystems
aus.
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Hinzu kommt, dass die Anwendung eines
auf Kabeln basierenden Energieverwaltungssystems den Einsatz von
Hochspannungs-Isolationskomponenten erfordert, um in das System
eingreifende Störungen
oder Lärm
zu reduzieren, die von den Hochspannungskabeln ausgehend in den
Signalkabeln auftreten können,
die für
elektrische Fahrzeugbatteriesätze
in Fahrzeugelektrosystemen typisch sind. Der Einsatz von solchen
Hochspannungs-Isolationskomponenten
erhöht
sowohl die Produktionskosten des Elektrofahrzeugs als auch das Fahrzeuggewicht. Ein
auf Kabeln basierendes Energieverwaltungssystem ist auch im Hinblick
auf künftige
Nachrüstungen von
Komponenten wegen der Notwendigkeit eingeschränkt, eine zusätzliche
Verkabelung für
jede neue, nachgerüstete
Komponente herzustellen.
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Ein Batterieüberwachungssystem ist zum Beispiel
von Jiri L. Nor und Koll. in „Very
Fast Battery Charging And Battery Energy Management" anlässlich des
12. Internationalen Elektrofahrzeug-Symposiums vom 5. Dezember 1994
in Anaheim/Kalifornien, Seite 117– 125, veröffentlicht. Das Batterieüberwachungssystem
misst jede Zelle in einem Batteriespeicher, um schwache Zellen herauszufinden.
Bei diesem System senden Batterie-Überwachungs-Module
(BMM = Battery Monitoring Modules) Informationen an ein Haupt-Steuerungs-Modul
(MCM = Main Control Module). Ferner ermöglicht eine Funktion des Batterie-Energie-Verwaltungssystems
(BEMS = Battery Energy Management System), dass eine schwächere Zelle
erfasst wird (oder das Modul, das diese enthält) und außerdem, dass die Schwere des Problems
quantitativ bestimmt wird. Es kann einen einfachen Vorgang anzeigen,
wie beispielsweise das Bewässern
eines trockenen Moduls, oder den Schritt einer Instandsetzung verlangen,
wie beispielsweise das Ersetzen des schwachen oder fehlerhaften
Moduls, um die volle Kapazität
des Batteriesatzes wieder herzustellen. Es ist mit diesem System
auch möglich,
den Ladezyklus des kompletten Batteriesatzes zu regeln, um das „schwache" Modul anzupassen.
Dies führt
zu einer etwas niedrigeren Nutzung der vollen Batterieleistungskapazität, verlängert aber die
Lebensdauer des schwächeren
Moduls (der Module) und somit des kompletten Batteriesatzes. Jedes
Batterieüberwachungsmodul
(BÜM) stellt
nur das Überwachen
und die Datenübertragungsfunktionen
bereit. Die Batterieüberwachungsmodule
steuern nicht die Ladestromstärke
von deren jeweiligen Batteriemodulen. Vielmehr steuert das Hauptsteuerungsmodul
(HSM) die Ladestromstärke
des insgesamt des ganzen Batteriesatzes.
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Ein weiteres Batterieüberwachungssystem ist
in der Patentanmeldung FR-A-2 589 008 offenbart. Das System überwacht
eine Batteriengruppe, wobei die Elektrolytdichte, der Elektrolytstand
und die Elektrolyttemperatur von jeder Batterie überwacht werden. Einige Batterien
sind mit einem individuellen, autonomen Messmodul ausgestattet,
das eine Messvorrichtung enthält,
um mindestens eine Parametereigenschaft des Batteriestands zu messen,
und außerdem
ein Gehäuse
aufweist, das elektronische Schaltungen zum Messen, ein lokales
Verarbeiten der Messungen und eine Reihenübertragung für die Informationen
enthält.
Die übertragenen
Informationen beinhalten eine Meldung, die von der überprüften Batterie
zumindest einen Referenzwert, von der Batteriespannung zumindest
eine Information und die von der Messvorrichtung gemessenen Parameter aufweist.
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Daher ist es wünschenswert, dass ein Energieverwaltungssystem
zum Einsatz in einem elektrisch betriebenen Fahrzeug mit vielfachen
Systemschaltungselementen aufgebaut ist, die mit einer zentralen
Steuereinheit drahtlos kommunizieren können, welches das Fahrzeuggewicht
nicht erhöht,
das keiner Batteriekorrosion ausgesetzt ist, welches einfach und
schnell zu installieren ist, welches nicht den Einsatz von Hochspannungsisolatoren
erfordert, und welches ein Nachrüsten
oder Ergänzen
von neuen Einrichtungen ermöglicht,
ohne dass eine Systemmodifikation erfolgt. Es ist wünschenswert,
dass ein solches Energieverwaltungssystem mit Einrichtungen konfiguriert
werden kann, die für
das Überwachen
und Steuern einer oder mehrerer Batterien, oder der Batteriezellen
solch einer jeden Batterie, eingesetzt werden können, um einen Batterieausgleich
herzustellen, und um dadurch das Leistungsvermögen eines Batteriesatzes zu
optimieren, der solche Batterien enthält. Insbesondere ist es wünschenswert,
dass das Energieverwaltungssystem so aufgebaut ist, damit das Erfassen
von Batterie- oder Batteriezell-Veränderungen und das Verfolgen
von individuellen Batteriecharakteristiken möglich ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein Energieverwaltungssystem zum Einsatz in einem Elektrofahrzeug
mit einer elektrischen Batteriequelle als Antriebskraft bereitgestellt,
wobei das System umfasst: eine Vielzahl von Batteriesteuerungsmodulen,
wobei jedes Batteriesteuerungsmodul aufweist: mindestens ein Überwachungselement,
das am Fahrzeug angebracht und so konfiguriert ist, um einen Betriebsparameter
von der elektrischen Batteriekraftquelle zu messen, die aus der
Gruppe ausgewählt
wurde, welche aus dem Batteriesatz, mindestens einer Batterie in
einem Batteriesatz, mindestens einer Zelle in einer Batterie und
Kombinationen davon besteht; ein Steuergerät zum Steuern der zu überwachenden
Energiequelle; einen ersten Radiofrequenzempfänger und einen zweiten Radiofrequenzsender;
eine Steuereinheit, die an dem Fahrzeug angebracht und so konfiguriert
ist, um das Überwachen
und Steuern eines jeden Batteriesteuermoduls zu koordinieren, wobei
die Steuereinheit umfasst: einen zweiten Radiofrequenzempfänger, der so
konfiguriert ist, um ein Radiofrequenzsignal zu empfangen, das von
dem ersten Radiofrequenzsender in jedem Batteriesteuermodul gesendet
worden ist; einen zweiten Radiofrequenzsender, der so konfiguriert
ist, um ein Radiofrequenzsignal zu übertragen, das von dem ersten
Radiofrequenzempfänger
in jedem Batteriesteuermodul empfangen werden kann; und Mittel zum
Auswerten der Radiofrequenzsignale, die von jedem Batteriesteuermodul
empfangen worden sind, und zum Bereitstellen eines Steuersignals zum Übertragen
an das Steuerelement von mindestens einem designierten Batteriesteuermodul.
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Energieverwaltungssysteme, welche
die Erfindung darstellen, werden nun anhand von Beispielen unter
Bezug auf die zugehörigen
Diagrammzeichnungen beschrieben, welche zeigen:
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1 ist
eine schematische Darstellung eines Energieverwaltungssystems und
einer Reihe von Batterieüberwachungsmodulen;
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2 ist
eine schematische Darstellung eines Batterieüberwachungsmoduls, das in 1 veranschaulicht ist; und
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3 ist
eine schematische Darstellung einer Steuereinheit, die in 1 veranschaulicht ist.
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Ein Energieverwaltungssystem (EVS),
das gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, umfasst eine Steuereinheit
und eine Reihe von Batteriesteuermodulen. Das System kann zum Überwachen
von dessen Leistung, zum Messen von dessen Betriebsparameter und
zum Steuern der Betriebsparameter von Batterien, Batteriezellen
oder Batteriegruppen innerhalb eines Batteriesatzes eingesetzt werden.
Das System der vorliegenden Erfindung kann in Batteriesätzen für elektrisch
betriebene Einrichtungen zum Einsatz kommen, wie beispielsweise
in Elektrofahrzeugen und Hybridelektrofahrzeugen, welche die Antriebskraft
einer Batteriequelle verkürzen
(zum Beispiel in Militärfahrzeugen,
Zügen, Rollstühlen, Golfkarren
und sonstige Freizeitfahrzeuge, Staplermaschinen, Gabelstapler,
Industriefahrzeuge, Busse, Automobile und Dreirad-Antriebsfahrzeuge),
in elektrischen Energiespeicheranwendungen (zum Beispiel Haushaltnotstromaggregat,
Industriebetrieb-, Schifffahrt-, Luftfahrt- oder Satelliten-Energieversorgung)
sowie in Unterhaltungselektronikgeräten.
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Mit Bezug auf 1 ist ein gemäß der vorliegenden Erfindung
konstruiertes Energieverwaltungssystem (EVS) dargestellt, wie es
in einem elektrischen System einer elektrisch betriebenen Vorrichtung
installiert ist. Das elektrische System umfasst eine Reihe von Batterien 10,
die in Serie geschaltet sind, um einen Batteriesatz zu bilden. Bei
der veranschaulichten Ausführungsform
werden die Batteriesteuermodule dargestellt, wie sie mit fünf Batterien 10 verwendet
werden. Für
den Einsatz in einem elektrischen System eines Elektrofahrzeugs
ist jede Batterie 10 ein Bleisäure-Akkumulator und umfasst
einen Spannungsbereich von etwa 10 bis 15 Volt Gleichstrom. Es ist
davon auszugehen, dass die Energieverwaltungssysteme der vorliegenden
Erfindung mit vielen unterschiedlichen Batterietypen bestückt werden
sollen, d. h. Batterien, die eine andere Konstruktionsausführung als
Bleisäure
aufweisen und beispielsweise Nickel-Kadmium, Silber-Zink, Lithium-Polymer,
Zink-Luft, Natrium-Schwefel und dergleichen enthalten können. Es
ist auch zur Kenntnis zu nehmen, dass Energieverwaltungssysteme
der vorliegenden Erfindung mit Batterien bestückt werden können, die
innerhalb eines Batteriesatzes unterschiedlich konfiguriert sind,
d. h. Batterien, die in Serie, in Serie parallel oder parallel geschaltet
sind, und die anders konfiguriert sind, als speziell in 1 beschrieben und dargestellt
ist. Hinzu kommt, dass Energieverwaltungssysteme dieser Erfindung
mit Batteriesätzen
verwendet werden können,
die mit baugleichen Batterietypen hergestellt sind, oder mit Batteriesätzen, die
aus Kombinationen mit verschieden Batterietypen bestückt sind,
wie beispielsweise Kombinationen aus Bleisäure- und Nickel-Kadmium-Batterien,
Bleisäure-
und Zink-Luft-Batterien, Lithium-Polymer- und Bleisäure-Batterien, Zink-Luft- und
Nickel-Kadmium-Batterien.
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Das elektrische System der Einrichtung
umfasst außerdem
eine Stromsteuervorrichtung 12. Bei einem elektrischen
Fahrzeug ist die Stromsteuervorrichtung eine Motorsteuervorrichtung 12,
die eine herkömmliche
Motorsteuerung sein kann, die zur Steuerung des Spannungsvolumens
und der Spannungspolarität
eingesetzt wird, welche auf einen oder mehrere Antriebsmotore 14 angewendet
werden und dazu zum Einsatz kommen, um eine korrespondierende Fahrzeugachse
bzw. korrespondierendes Fahrzeugrad umzudrehen.
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Das elektrische System der Einrichtung
umfasst eine Hauptleiterbahn bzw. eine Hauptzuleitung 16,
die aus einem oder mehreren Leitungskabelsträngen ausgebildet ist und dazu
verwendet wird, um die Batterien 10 elektrisch miteinander
zu verbinden, um dadurch einen Batteriesatz zu bilden, und den Batteriesatz
mit anderen primären,
elektrischen Einrichtungen in dem Vorrichtungsgerät anzuschließen. In
einem elektrisch betriebenen Fahrzeug wird die Hauptzuleitung 16 dazu
verwendet, um die Batterien 10 in Serienverbindung anzuschließen, um
dadurch den Batteriesatz zu bilden, und sie wird außerdem dazu
verwendet, um den Batteriesatz mit der Motorsteuervorrichtung 12 zu
verbinden. Demzufolge wird der Elektrofahrzeugstrom von dem Batteriesatz über die Hauptzuleitung 16 an
die Motorsteuerung 12 zur Anwendung auf einem oder mehreren Antriebsmotoren 14 geleitet.
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Ein gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung konstruiertes Energieverwaltungssystem umfasst
eine Reihe von Batteriesteuermodulen (BSM) 18, die jeweils
so konfiguriert sind, dass sie einen oder mehrere Betriebsparameter
der Batteriekraftquellen messen. So wie das elektrische Hauptsystem
in einem Elektrofahrzeug kann jedes Batteriesteuermodul eingesetzt
werden, um einen oder mehrere Betriebsparameter eines Batteriesatzes, Batterien
in dem Batteriesatz oder Batteriezellen in einer Batterie, aus denen
sich der Batteriesatz zusammensetzt, zu überwachen. Wenn die Batteriesteuermodule
in einem Elektrofahrzeug installiert sind, wird jedes Modul mit
12 Volt Gleichstrom betrieben, der von der Verbindung zwischen den
Stromzuleitungen 20 des Batteriesteuermoduls und dem jeweiligen
Pluspol und Minuspol der zugehörigen
Batterie 10 bereitgestellt wird. Alternativ dazu kann jedes Batteriesteuermodul,
anstatt von einer jeweiligen Batterie mit Energie versorgt zu werden,
auch mittels einer internen Energiequelle, mittels einer anderen Energiequelle
an dem Fahrzeug anstatt von einer jeweiligen Batterie, mittels einer
Induktionsübertragung eines
Wechselstromleiters sowie mittels Solarstrom oder dergleichen betrieben
werden.
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Jedes Batteriesteuermodul 18 in
der Ausführungsform
der 1 ist so konfiguriert,
um einen oder mehrere Betriebsparameter der jeweiligen Batterie 10 in
dem Batteriesatz zu überwachen.
Demzufolge beträgt
die Anzahl der in dem Energieverwaltungssystem eingesetzten Batteriesteuermodule
in 1 die gleiche Anzahl
von Batterien 10, die dazu verwendet wurden, um den Batteriesatz
zusammenzustellen, d. h. fünf
Stück.
Alternativ dazu können
die Batteriesteuermodule eingesetzt werden, um einen oder mehrere
Betriebsparameter einer jeden Batteriezelle in den Batterien zu überwachen,
aus denen sich der Batteriesatz zusammensetzt, wobei in diesem Fall
die Anzahl der verwendeten Batteriesteuermodule größer als
die Anzahl der Batterien sein könnte.
Es ist daher zur Kenntnis zu nehmen, dass die Batteriesteuermodule
auch in einer anderen Art und Weise verwendet werden können, die
anders als zuvor in 1 speziell
beschrieben und dargestellt worden ist.
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Wenn auch jedes Batteriesteuermodul 18 als getrennt
von jeder zugehörigen
Batterie dargestellt worden ist, ist außerdem zur Kenntnis zu nehmen, dass
jedes Batteriesteuermodul wahlweise als ein Teil der Batterie selbst
oder als integraler Bestandteil der Batterie ausgeführt werden
könnte.
Zum Beispiel könnte
das Batteriesteuermodul innerhalb einer Kammer in dem Batteriegehäuse produziert
werden, die von den Elektrolytzellen isoliert ist. Bei einer solchen
Ausführungsform
würden
sämtliche
Aus- und Eingänge
von und zu dem Batteriesteuermodul mit den jeweiligen Batterieanschlüssen oder
anderen Batterieein- oder – ausgängen im
Innern des Batteriegehäuses
intern verbunden werden. Alternativ dazu werden die Batteriesteuermodule
an die in einem Batteriesatz verwendete, jeweilige Batterie als frei
anschließbar
konfiguriert, um sowohl ein Entfernen, wenn eine Batterie aus dem
Batteriesatz herausgenommen werden soll, als auch ein Hinzufügen zu ermöglichen,
wenn die entfernte Batterie mit einer neuen Batterie ersetzt werden
soll. Dort wo außerdem
jedes Batteriesteuermodul so konfiguriert ist, um die Betriebsparameter
der individuellen Batteriezellen zu überwachen, sind die Batteriesteuermodule
so angeordnet, dass sie an die jeweilige Batteriezelle auslösbar verbunden
sind.
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Jedes Batteriesteuermodul 18 ist
so konstruiert, um einen oder mehrere designierte Betriebsparameter
der jeweiligen Batterie 10 zu überwachen und zu messen. Der
bzw. die durch jedes Batteriesteuermodul überwachte und gemessene spezielle/n Betriebsparameter
kann/können
variieren, was von jeder einzelnen Anwendung abhängt, aber der gemessene Betriebsparameter
kann einschließen:
Batteriespannung, Batteriestrom, Batteriezellen-Elektrolytdichte oder das spezifische
Gewicht, den spezifischen Gewichtsgradient, Elektrolytstand, Batterietemperaturnachweis,
Batteriedruck oder Kombinationen davon. Bei einer Ausführungsform
ist jedes Batteriesteuermodul so ausgelegt, um den Spannungsausgang
und die Temperatur von jeder entsprechenden Batterie zu überwachen.
Jedes Batteriesteuermodul ist so konfiguriert, um Informationen über Betriebsparameter
an die Steuereinheit als Reaktion auf ein Steuersignal zu übertragen.
Jedes Batteriesteuermodul 18 ist außerdem so ausgelegt, um designierte
Betriebsparameter einer jeweiligen Batterie als Reaktion auf ein
Steuersignal zu steuern, wie beispielsweise Batteriespannung, Widerstand,
Temperatur, Strom und dergleichen. Bei einer Ausführungsform
ist jedes Batteriesteuermodul so konstruiert, um innerhalb des Batteriesatzes
die Spannung, den Strom, den Wirkwiderstand einer entsprechenden Batterie
steuern zu können.
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Ein Hauptmerkmal eines jeden Batteriesteuermoduls
ist, dass es so ausgelegt ist, um Informationen bezüglich einen
oder mehrerer überwachter oder
gemessener Batterie-Betriebsparameter
unter Verwendung eines Radiofrequenzsignals anstatt über herkömmliche Übertragungsmittel
zu übertragen,
wie zum Beispiel bisher unter Verwendung von elektrischen Leitungskabeln.
Jedes erfindungsgemäße Batteriesteuermodul
ist so konstruiert, um ein analoges Eingangssignal von einem oder
mehreren Überwachungs-Elementen
oder – Sensoren
für eine jeweilige
Batterie zu empfangen, das analoge Signal in ein digitales Signal
umzuwandeln, und das Signal unter Verwendung einer designierten
Radiofrequenz an eine Steuereinheit 22 eines Energieverwaltungssystems
zu übertragen,
wie nachstehend im Einzelnen näher
beschrieben wird. Um die Übertragung des
Radiofrequenzsignals im Fahrzeug zu ermöglichen, dient die Hauptzuleitung 16 als Übertragungsmedium,
und die Radiofrequenzeingänge
und -ausgänge
eines jeden Batteriesteuermoduls 18 sowie die Steuereinheit 22 sind
mit der Hauptzuleitung verbunden. Die Hauptzuleitung 16 funktioniert
dabei als ein Übertragungsmedium
für die Übertragung
des Radiofrequenzsignals von jedem Batteriesteuermodul an die Steuereinheit
des Energieverwaltungssystems, ohne dass dabei eine zusätzliche
Verkabelung erforderlich wird.
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Ein gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung konstruiertes Energieverwaltungssystem umfasst
eine Steuereinheit 22, die einen Signalleiter aufweist,
der mit der Hauptzuleitung 16 zum Zwecke des Empfangens
und Übertragens
von Radiofrequenzsignalen zu und von jedem Batteriesteuermodul 18 verbunden
ist. Die Steuereinheit 22 ist integriert in der Einrichtung
oder im Fahrzeug untergebracht. Die Platzierung der Steuereinheit
kann von einer Reihe von verschiedenen Zustandsgrößen abhängen, wie
zum Beispiel von dem zur Verfügung stehenden
Platz, von dem Batteriesatztyp und dergleichen. Bei bestimmten Ausführungsformen
kann die Steuereinheit 22 als Teil einer Stromsteuervorrichtung
oder Motorsteuervorrichtung 12 produziert sein. Die Steuereinheit 22 ist
so ausgelegt, um Informationen über
die Batterie-Betriebsparameter von einem oder mehreren Batteriesteuermodulen
zu empfangen, die Informationen entsprechend in einem vorbestimmten
Steuersystemprogramm zu verarbeiten, und die Überwachungs-, Messungs- und/oder Steuerinstruktionen
an ein oder mehrere designierte Batteriesteuermodule 18 zu übertragen.
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Ein Hauptmerkmal der Steuereinheit 22 ist, wie
bei den Batteriesteuermodulen 18, dass sie so konstruiert
ist, um Radiofrequenzsignale zu empfangen, die durch jedes der Batteriesteuermodule über die
Hauptzuleitung 16 übertragen
werden. Die Steuereinheit 22 ist so ausgelegt, um das Eingangs-Radiofrequenzsignal
von jedem Batteriesteuermodul aufzunehmen und es in ein digitales
Signal umzuwandeln. Das digitale Signal wird anschließend durch
einen Prozessor gesendet, der das digitale Signal entsprechend einem
Steuersystemprogramm auswertet, und der ein digitales Ausgangs-Steuersignal
herstellt. Die Steuereinheit 22 ist ferner so ausgelegt,
um das digitale Ausgangs-Steuersignal aufzunehmen, es in ein Radiofrequenzsignal
umzuwandeln und es zu einem oder mehreren designierten Batteriesteuermodulen 18 zu übertragen.
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Um zwischen der Steuereinheit 22 und
mit einem oder mehreren designierten Batteriesteuermodulen 18 eine
Kommunikation zu ermöglichen,
umfasst das Steuermodul Mittel zum Kodieren oder Adressieren eines
jeden Ausgangs-Steuersignals, das von einem oder mehreren designierten
Batteriesteuermodulen 18 erkannt werden soll. Jedes Batteriesteuermodul
ist außerdem
so ausgelegt, um komplementäre
Mittel für
das Lesen des Steuersignals zur Bestimmung aufzuweisen, ob das Steuersignal an
jenes bestimmte Batteriesteuermodul adressiert werden soll. Indem
die Steuereinheit 22 auf diese Art und Weise aufgebaut
ist, kann sie Steuersignale an bestimmte Batteriesteuermodule als
Reaktion auf Informationen übertragen,
die sie von solch einem Batteriesteuermodul empfangen hat. Bei alternativen Ausführungsformen
ist außerdem
jedes Batteriesteuermodul so konfiguriert, dass es mehr als ein
adressiertes Steuersignal erkennen kann, das außerdem von mehr als einem Batteriesteuermodul
erkannt wird, um der Steuereinheit zu ermöglichen, mehr als ein Batteriesteuermodul
gleichzeitig zu steuern. Dies ist bei bestimmten Betriebsbedingungen
wünschenswert,
wie zum Beispiel, wenn die Energiequelle oder der Batteriesatz kalt
sind, und wenn eine Reihe von Batteriesteuermodulen gesteuert werden
sollen, um eine Reihe von Batterien in dem Batteriesatz aufzuwärmen, und
dadurch eine verbesserte Betriebsleistung bereitgestellt werden
soll.
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Mit Bezug noch einmal auf 1 umfasst ein gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung konstruiertes Energieverwaltungssystem Mittel
zum Absichern, dass die Radiofrequenzsignale zwischen der Steuereinheit
und jedem Batteriesteuermodul bei einem offenen Stromschaltkreis
[Leitungsbruch] in der Batterie nicht unterbrochen oder von der
Stromquelle getrennt werden. Bei einer Ausführungsform ist ein solches
Mittel ein Kondensator 24, der gegenüber den Plus- und Minuspolen
jeder entsprechenden Batterie 10 in elektrischer Parallelschaltung
zu den Stromzuleitungen 20 eines jeweiligen Batteriesteuermoduls
angeordnet ist. Der Kondensator bewirkt bei Auftreten eines Leitungsbruchs
den Durchlauf der Radiofrequenzsignale durch eine Batterie. Ohne
den Einsatz eines solchen Kondensators 24 könnte ein
Leitungsbruch in einer Batterie innerhalb eines Batteriesatzes die
Radiofrequenzübertragung zwischen
der Steuereinheit und jenen nach dem Leitungsbruch nachgeschalteten
Batteriesteuermodulen abschneiden. Es ist zur Kenntnis zu nehmen, dass
jeder Kondensator 24 innerhalb eines jeweiligen Batteriesteuermoduls
angeordnet ist und in 1 nur
zu Referenz- und Veranschaulichungszwecken eines jeden Batteriesteuermoduls
als außerhalb
angeordnet dargestellt ist.
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Ein gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung konstruiertes Energieverwaltungssystem umfasst
außerdem
Mittel zum Schutz der Steuereinheit 22 vor Hochspannungsunterschieden
zwischen der Hauptzuleitung 16 und der Steuereinheit und
zum Ausfiltern von Signalen, die andersartig als die durch die Batteriesteuermodule übertragenen Radiofrequenzsignale
sind. Bei einer Ausführungsform
ist ein solches Mittel ein Kondensator 26, der zwischen
der Steuereinheit 22 und der Hauptzuleitung 16 in
Reihe geschaltet angeschlossen ist. Der Kondensator dient in erster
Linie dazu, um die Steuereinheit 22 vor Hochspannungsunterschieden
zu isolieren, die sich entwickeln könnten. Der Kondensator 26 weist
außerdem
Hochpassfilter-Charakteristiken auf, um den Durchlauf von Radiofrequenzsignalen
zu und von der Steuereinheit zu ermöglichen. Die untere Grenzfrequenz
des Hochpassfilters wird von den für die Radiofrequenzkommunikation
verwendeten Frequenzwerten bestimmt und beträgt bei dieser Ausführungsform
etwa 30 Kilohertz.
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Ein gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung konstruiertes Energieverwaltungssystem umfasst
außerdem
Mittel zur Verhinderung eines Durchlaufs von Hochfrequenzsignalen
von anderen elektrischen Einrichtungen, die mit dem elektrischen System
durch die Hauptzuleitung 16 verbunden sind, und zur Verhinderung
eines Streuverlustes der Radiofrequenzsignale ab dem Energieverwaltungssystem an
die gewünschte
Stromsteuervorrichtung oder Motorsteuerung. Solche Mittel kommen
zum Einsatz, um zu gewährleisten,
dass die durch jedes Batteriesteuermodul generierten Radiofrequenzsignale
an die Steuereinheit übertragen
werden, sowie um zu gewährleisten,
dass jedes durch die Steuereinheit generierte Radiofrequenz-Steuersignal
an jedes Batteriesteuermodul von Hochfrequenzstörungen oder Signalstreuverlusten
frei ist. Bei einer Ausführungsform
werden solche Mittel dazu verwendet, um den Durchlauf von Hochfrequenzsignalen,
die von der Motorsteuervorrichtung 12 generiert worden
sind, an die Hauptzuleitung 16 nicht zuzulassen, und um
den Durchlauf von Radiofrequenzsignalen von der Hauptzuleitung an
die Motorsteuervorrichtung zu verhindern. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
umfassen die Mittel zur Verhinderung des Durchlaufs von Hochfrequenzsignalen
von der Motorsteuervorrichtung und zur Beseitigung eines Radiofrequenzstreuverlustes
durch die Motorsteuervorrichtung Isolationsringe 28, die
aus einem Signalfiltermaterial hergestellt sind. Die Isolationsringe 28 sind
an jedem Anschlusspunkt um die Hauptzuleitung 16 angrenzend
zur Motorsteuervorrichtung 12 platziert.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Isolationsringe 28 aus Ferritperlen hergestellt,
die so ausgelegt sind, dass der Durchlauf von Hochfrequenzsignalen über etwa
100 Kilohertz von der Motorsteuervorrichtung 12 in die
Hauptzuleitung 16 herausgefiltert bzw. verhindert wird.
Die Ferritperlen verhindern außerdem
die Übertragung
des Radiofrequenzsignals des Energieverwaltungssystems in die Motorsteuervorrichtung,
um eine Signalverluststreuung nicht zuzulassen.
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Unter Bezug noch einmal auf 1 umfasst das elektrische
System des elektrisch betriebenen Geräts oder Fahrzeugs ein Batterieladegerät 29.
Das Energieverwaltungssystem ist so dargestellt, dass es für einen
Anschluss mit dem Batterieladegerät 29 adaptiert ist.
Bei einer Ausführungsform
kann das Batterieladegerät 29 in
dem Elektrofahrzeug intern untergebracht werden und Gleichstromleitungen 30 umfassen,
die mit dem Batteriesatz über
die Hauptzuleitung 16 elektrisch angeschlossen sind. Isolationsringe 28,
die mit jenen zuvor erwähnten
identisch sind, sind um die Leitungen 30 an jedem Anschlusspunkt
des Ladegerätes 29 aus
den gleichen bereits zuvor erwähnten
Gründen
angrenzend platziert. Das Ladegerät 29 umfasst eine
Stromleitung 31, sie so ausgelegt ist, um einen Anschluss
mit einer externen Wechselstromquelle zu ermöglichen. Bei bestimmten Ausführungsformen
wird die Steuereinheit 22 als Teil des Batterieladegerätes 29 produziert.
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Bei einer alternativen Ausführungsform
ist das Batterieladegerät 29 am
Fahrzeug extern angeordnet und umfasst Gleichstromleitungen 30,
die so adaptiert sind, um den temporären Elektroanschluss mit der
Hauptzuleitung 16 beim Laden des Batteriesatzes zu ermöglichen.
Der temporäre
Elektroanschluss kann unter Verwendung von herkömmlichen Anhangstechniken hergestellt
werden, wie beispielsweise unter Verwendung von lösbaren Festverdrahtungsanschlüssen, Induktionskopplung
und dergleichen. Wie bei der Ausführungsform mit dem internen Ladegerät sind die
Isolationsringe 28 um die Stromleitungen 30 an
dem Anschlusspunkt des externen Ladegeräts angrenzend platziert. Das externe
Ladegerät
kann Teil eines Batteriesatz-Ladesystems sein, das in einer Fahrzeugreparaturwerkstätte, in
einer öffentlichen
oder privaten Parkgarage und dergleichen aufbewahrt wird.
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Das Energieverwaltungssystem umfasst eine
zweite Steuereinheit 33, die am Fahrzeug extern untergebracht
ist. Die zweite Steuereinheit oder externe Steuereinheit ist an
eine Leitung 30 des internen oder externen Batterieladegeräts 29 angeschlossen.
Die externe Steuereinheit 33 ist in der gleichen Art und
Weise wie die zuvor und nachstehend beschriebene Steuereinheit 22 konfiguriert,
um mit der internen Steuereinheit 22 und/oder den Batteriesteuermodulen
mittels Radiofrequenzübertragung über Kabel-,
Radio- oder Induktions-Signalkopplung kommunizieren zu können. Insbesondere
dient die externe Steuereinheit 33 dazu, um die Batterie-Betriebsparameter
zu überwachen
und ein oder mehrere Batteriesteuermodule zu steuern, um damit den
Betriebsvorgang von einer oder mehreren Batterien oder Batteriezellen
beim Laden des Batteriesatzes regulieren zu können. Außerdem wird, wie nachstehend
noch detaillierter beschrieben ist, die externe Steuereinheit dazu
verwendet, um Informationen über
die Batteriebetriebsleistung während
des Ladens oder während
einer anderen Art des Wartens und der Instandhaltung des Batteriesatzes
abzufragen, die in der internen Steuereinheit 22 gespeichert sind.
Ein Kondensator 35, der mit dem zuvor erwähnten Kondensator 26 identisch
ist, ist zwischen einer Radiofrequenz-Übertragungsleitung der externen Steuereinheit
und der Stromleitung 30 in Reihe geschaltet angeordnet.
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Die externe Steuereinheit 33 ist
so ausgelegt, um eine Verbindung mit einer Anwenderschnittstelle 37 aufzunehmen,
um das Programmieren mit der internen Steuereinheit zu ermöglichen
und um auf Informationen zuzugreifen, die in der internen Steuereinheit
gespeichert sind. Bei bestimmten Ausführungsformen ist die externe
Steuereinheit als Teil des externen Batterieladegeräts hergestellt
und so programmiert, um von den Batteriesteuermodulen oder der Steuereinheit
die Download-Informationen über
die Batteriebetriebsleistung empfangen und während des Ladens des Batteriesatzes
die Batterie-Betriebsparameter
regulieren zu können.
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Mit Bezug nun auf 2 umfasst jedes Batteriesteuermodul 18 ein Überwachungselement/e oder
einen Sensor/en 32, die so konfiguriert sind, um eine designierte
Energiequelle oder Batterie-Betriebsparameter zu messen oder zu überwachen.
Bei einer Ausführungsform
umfasst jedes Batteriesteuermodul 18 zwei Uberwachungselemente 34 und 36 für das Messen der
Spannung und der Temperatur der jeweiligen Batterie. Jedes Überwachungselement 32 ist
so konfiguriert, um mit einem 12 Volt Gleichstrom betrieben werden
zu können,
und um einen analogen Signalausgang im Bereich von etwa 0 bis fünf Volt Gleichstrom
herzustellen. Bei einer Ausführungsform,
in der ein Batteriesteuermodul mehr als ein Überwachungselement 32 aufweist,
ist ein Analogmultiplexer 38 vorgesehen, der so konfiguriert
ist, um die analogen Signalausgänge
von jedem Überwachungselement
aufzunehmen, wie zum Beispiel von dem Spannungs-Überwachungselement 34 und
dem Temperatur-Überwachungselement 36.
Ein bevorzugter Analogmultiplexer 38 ist ein einpoliger
Doppel-Ausschalter. Der Betriebsvorgang des Analogmultiplexers 38 wird
von einem Steuergerät
in dem Batteriesteuermodul gesteuert, wie nachstehend detaillierter
beschrieben ist.
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Jedes Batteriesteuermodul 18 umfasst
einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer 40, der so konfiguriert
ist, um von dem Analogmultiplexer 38 ein analoges Eingangssignal
empfangen zu können
und um das analoge Signal in ein digitales Signal umzuwandeln, das
als eine bestimmte Spannungsimpulsreihe oder dergleichen konfiguriert
ist. Bei einer Ausführungsform
ist der Spannungs-Frequenz-Umsetzer 40 so konfiguriert,
um ein analoges Eingangssignal von 0 bis 5 Volt Gleichstrom empfangen
zu können,
und um das Eingangssignal in ein Impulssignal umzuwandeln, das entweder
keinen Ausgang (auch als 0-Logikschaltsignal
bezeichnet) oder einen Ausgang von etwa 5 Volt aufweist (auch als
L-Signal bezeichnet),
wobei die Spannungsinformationen als Frequenz einer Impulsserie
kodiert werden.
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Jedes Batteriesteuermodul 18 umfasst
einen Radiofrequenzsender (RF) 42, der so konfiguriert
ist, um das Ausgangs-Impulssignal von dem Spannungs-Frequenz-Umsetzer 40 zu
modulieren. Der Radiofrequenzsender 42 kann ein Breitbandsender sein,
wie beispielsweise ein Frequenzumtastungssender (FSK). Ein Ausgang
von dem Radiofrequenzsender 42 ist mit der Hauptzuleitung 16 verbunden, so
dass das Radiofrequenzsignal über
die Hauptzuleitung 16 an die Steuereinheit 22 übertragen
wird. Bei einer Ausführungsform
ist der Radiofrequenzsender so konfiguriert, um ein Breitband-Radiofrequenzsignal
von ungefähr
5,5 Megahertz übertragen
zu können.
Der Betriebsvorgang jedes Radiofrequenzsenders wird mittels einer
Zeitgeberschaltung in einem Steuergerät des jeweiligen Batteriesteuermoduls
gesteuert.
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Jedes Batteriesteuermodul 18 umfasst
Mittel zum Eliminieren des Durchlaufs von Hochfrequenzsignalen,
die außerhalb
des Bereichs von den durch das Energieverwaltungssystem übertragenen
Radiofrequenzsignalen liegen. Bei einer Ausführungsform besteht ein solches
Mittel in Form eines Eingangsfilters 44 und ist zwischen
der Hauptzuleitung 16 und einem RF-Demodulator in dem Batteriesteuermodul in
Reihe geschaltet verbunden. Bei einer Ausführungsform ist der Eingangsfilter 44,
der als ein 4,5 Megahertz-Bandpassfilter konfiguriert ist, um den Durchlauf
von Radiofrequenzsignalen über
oder unter etwa 4,5 Megahertz zu verhindern, auch als ein Gleichtakt-Bandsperrfilter
ausgelegt, um dadurch eventuelle Signalinterferenzen zu reduzieren
oder zu eliminieren.
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Ein von der Steuereinheit 22 gesendetes
Radiofrequenzsignal wird über
die Hauptzuleitung 16 an jedes Batteriesteuermodul bei
einer Breitband-Radiofrequenz von etwa 4,5 Megahertz übertragen
und hängt
von dem speziellen digitalen Steuersignal ab. Jedes durch die Steuereinheit übertragene
Radiofrequenzsignal ist mit einer Adresszeichenfolge an ein oder
mehrere Batteriesteuermodule und einer bestimmten Befehlszeichenfolge
aufgebaut. Jedes Batteriesteuermodul 18 umfasst einen RF-Demodulator 46 oder
dergleichen, der so konfiguriert ist, um ein von der Steuereinheit 22 übertragenes
Radiofrequenz-Steuersignal zu empfangen und es in ein digitales
Signal zu demodulieren. Bei einer Ausführungsform kann der RF-Demodulator 46 ein
Breitbandradiofrequenz-Steuersignal von 4,5 Megahertz empfangen
und es in ein digitales Signal mit 0 oder 5 Volt umwandeln.
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Jedes Batteriesteuermodul 18 umfasst
Mittel zum Kodieren des digitalen Steuersignals, das von dem RF-Demodulator 46 empfangen
worden ist. Bei einer Ausführungsform
besteht das Kodiermittel aus einem POCSAG-Decoder der Post Office
Code Standardization Advisory Group, die auch als „Internationaler
beratender Ausschuss für
den Funkdienst (CCIR)" bekannt
ist mit Funkruf-Code Nr. 1. Der POCSAG-Decoder 48 kann
identifizieren, ob das digitale Steuersignal, das heißt die adressierte
Befehlszeichenfolge, die empfangen worden ist, an eine oder mehrere
bestimmte Batteriesteuermodule 18 adressiert ist. Wenn
ein korrekt adressierter Code erkannt wird, sendet der POCSAG-Decoder 48 den restlichen
Teil des Signals, d. h. die Befehlszeichenfolge, an ein Steuergerät 50 weiter.
Wenn ein nicht korrekt adressierter Code von dem POCSAG-Decoder 48 empfangen
wird, wird der restliche Teil des Signals nicht an das Steuergerät 50 weitergeleitet.
Wie bereits vorstehend erwähnt
wurde, kann jedes Batteriesteuermodul 18 so konfiguriert
werden, dass es ein oder mehrere Adressen-Codes erkennt, so dass mehr
als eine Einheit von Batteriesteuermodulen gleichzeitig gesteuert
werden kann, wenn dies gewünscht
ist.
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Bei einer Ausführungsform ist das Steuergerät 50 so
konfiguriert, um das digitale Eingangs-Steuersignal zu empfangen, das heißt die Befehlszeichenfolge,
und um zu identifizieren, ob es mit einem vorbestimmten Befehl übereinstimmt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
führt das
Steuergerät 50 einen
einfachen Mustervergleich aus, um zu bestimmen, ob die Befehlszeichenfolge
mit einem der folgenden, sechs vorbestimmten Befehle korrespondiert
oder nicht: (1) Spannung parallel schalten und übertragen; (2) Temperatur parallel
schalten und übertragen;
(3) parallel schalten und nicht übertragen;
(4) Temperatur übertragen;
(5) Spannung übertragen;
sowie (6) nicht parallel schalten und nicht übertragen. Sobald das Steuergerät 50 eine
bestimmte Befehlszeichenfolge identifiziert hat, gibt es ein Steuersignal
aus, um eine bestimmte Vorrichtung zu aktivieren. Bei einer Ausführungsform
kann das Steuersignal gesendet werden, um eine oder mehrere Vorrichtungen
zu aktivieren, die aus dem Radiofrequenzsender 42, dem
Analogmultiplexer 38 und einer oder mehreren Steuervorrichtungen
besteht bzw. bestehen, wie nachstehend erläutert wird. Das Steuergerät 50 kann
auch so programmiert werden, um das Batteriesteuermodul zu veranlassen,
die Batterieüberwachung
auszuführen
und Funktionen als Reaktion auf betriebsinterne Kriterien anstatt
als Reaktion auf Steuersignale von der Steuereinheit 22 zu steuern.
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Wie in 2 dargestellt
ist, ist ein Ausgang von dem Steuergerät 50 mit dem Radiofrequenzsender 42 verbunden,
um den Sender als Reaktion auf eine bestimmte Befehlszeichenfolge
zu betreiben, die von der Steuereinheit 22 empfangen worden
ist, wie beispielsweise die vorstehenden Befehle 1–2 und 4–5. Der
Ausgang von dem Steuergerät 50 ist außerdem mit
dem Analogmultiplexer 38 verbunden, um zwischen den Spannungs-
und Temperatur-Überwachungselementen 34 und 36 als
Reaktion auf einen bestimmten, von der Steuereinheit 22 empfangenen
Befehl schalten zu können,
wie beispielsweise die vorstehenden Befehle 1–2 und 4–5.
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Der Ausgang von dem Steuergerät 50 kann außerdem mit
einem oder mehreren Steuerelementen oder Steuervorrichtungen verbunden
werden, um einige Änderungen
in einem oder mehreren Betriebsparameter/n der jeweiligen Batterie
oder Batteriezelle auszuführen,
die von dem Batteriesteuermodul 18 überwacht worden sind. Bei einer
Ausführungsform
besteht die Steuervorrichtung aus einem Umgehungsparallelschalter 52.
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Der Umgehungsparallelschalter 52 ist über den
Anschlüssen
der jeweiligen Batterie positioniert und kann so konfiguriert werden,
um die jeweilige Batterie innerhalb des Batteriesatzes durch einen Parallelwiderstand
zu entladen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Umgehungsparallelschalter 52 so
ausgelegt, um nach Aktivierung durch das Steuergerät als Reaktion
auf einen Befehl, der von der Steuereinheit empfangen worden ist,
wie beispielsweise die Befehle 1–3, eine bestimmte Batterie zu
entladen. Der Umgehungsparallelschalter erledigt dies, indem er
den Strom von der Batterie abtrennt, wobei er dazu ein oder mehrere
Widerstände
oder dergleichen verwendet. Die Aktivierung des Umgehungsparallelschalters 52 in
einem oder mehreren Batteriesteuermodulen zur Entladung einer oder mehrerer
Batterien in einem Batteriesatz kann beispielsweise gewünscht werden,
um den Spannungsausgang jeder einzelnen Batterie in dem Batteriesatz zu
steuern, um dabei einen Batterieausgleich zu erzielen, oder um eine
Batterie vor Schäden
durch Überladung
zu schützen.
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Unter Bezug nun auf 3 umfasst die Steuereinheit 22 des
Energieverwaltungssystems einen Radiofrequenz-Empfänger 56 (RF)
mit einem Eingang, der mit der Hauptzuleitung 16 über einen
in Reihe geschalteten Kondensator 26 verbunden ist, wie
auch in 1 dargestellt
ist. Der RF-Empfänger 56 ist
als Breitbandempfänger
so konfiguriert, um das von den Radiofrequenzsendern eines jeden
Batteriesteuermoduls übertragene
Breitband-Radiofrequenzsignal
zu empfangen. Bei einer Ausführungsform
ist der RF-Empfänger 56 so
ausgelegt, um ein Breitband-Radiofrequenzsignal von etwa 5,5 Megahertz
zu empfangen. Der RF-Empfänger 56 demoduliert
das empfangene Radiofrequenzsignal in ein digitales Spannungssignal,
wie zum Beispiel in einer Ausführungsform
von 0 auf 5 Volt Gleichstrom.
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Der Ausgang von dem RF-Empfänger 56 kann
entweder direkt an eine Mikrokontroller-Einheit 58 oder alternativ über einen
Digitalmultiplexer 60 oder eine andere Digitalschaltung
an die Mikrokontroller-Einheit 58 angeschlossen sein. Der
Multiplexer 60 wird von der Mikrokontroller-Einheit 58 so
betrieben, um eines aus einer Reihe von unterschiedlichen Eingangssignalen
auszuwählen,
das von der Mikrokontroller-Einheit verarbeitet werden soll. Bei einer
Ausführungsform
wird ein Multiplexer 60 eingesetzt, um zwischen einem Ausgangssignal
von dem RF-Empfänger 56 und
Eingangssignalen von anderen elektrischen Einrichtungen innerhalb
des Fahrzeugs zu wählen,
wie zum Beispiel die Eingangssignale der Motorsteuervorrichtung,
um Informationen über
Spannung, Strom, Temperatur und Ladestatus zur Verfügung zu
stellen.
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Die Mikrokontroller-Einheit 58 ist
so konfiguriert, um unabhängig
von einer verfügbaren
Energie operieren zu können,
zum Beispiel wenn 12 Volt Gleichstrom in einem Elektrofahrzeug eingesetzt werden,
und umfasst eine Mikroprozessor-Schaltung (nicht dargestellt). Alternativ
dazu kann die Mikrokontroller-Einheit von einer internen Energiequelle,
von einer Fahrzeugenergie, die außerhalb des Batteriesatzes
liegt, von einer Solarenergie und dergleichen ausgehend arbeiten.
Die Mikroprozessor-Schaltung ist so konfiguriert, um eine Reihe
von unterschiedlichen Eingangssignalen aufnehmen zu können, die das
digitale Spannungssignal aufweisen, das von dem RF-Empfänger 56 ausgegeben
worden ist. Die Mikroprozessor-Schaltung ist so programmiert, um den
Signalausgang von dem RF-Empfänger 56 zu empfangen,
und um außerdem
die empfangenen Informationen in einem SRAM oder EEPROM -Speicher
zu speichern. Die Steuereinheit 22 ist so ausgelegt, um
eine Verbindung mit einer Anwender-Schnittstelle aufnehmen zu können, um
dabei das Programmieren der Mikroprozessor-Schaltung zu ermöglichen,
und um Zugriff auf die im SRAM-Speicher des Mikroprozessors gespeicherten Informationen
zu erhalten. Die in der Mikrokontroller-Einheit 58 gespeicherten
Informationen können zum
Zwecke einer diagnostischen Auswertung und dergleichen zu einem
späteren
Zeitpunkt wieder abgefragt werden. Solche gespeicherten Informationen umfassen
den Betriebsleistungsverlauf von jeder Batterie in dem Batteriesatz,
oder von jeder Batteriezelle der Batterien in einem Batteriesatz
während
der betrieblichen Nutzungsdauer der Batterie oder des Batteriesatzes
oder innerhalb der Wartungszeiträume
für diese
Energiequellen. Bei bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung wird der Batteriebetriebs-Leistungsverlauf von einer externen Steuereinheit 33 während der
Fahrzeuginstandsetzung oder Batteriesatzwartung abgerufen, um wichtige
Informationen bereitzustellen, die den Mechanismus oder die Gründe für eine Fehlfunktion
bezüglich einer
bestimmten Batterie aufzeigen.
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Der vom RF-Empänger 56 empfangene
Signalausgang, d. h. die Informationen über den von jedem Batteriesteuermodul übertragenen
Batterie-Betriebsparameter, wird vom Mikroprozessor entsprechend
einem oder mehreren Steuersystemprogrammen ausgewertet. Bei verschiedenen
Ausführungsformen
verwendet der Mikroprozessor bestimmte Techniken wie Steuerung,
Mustererkennung, Künstliche
Intelligenz, Fuzzy-Logik, Neuronales Netz oder andere Analysen und
Steuerungstechniken, um die von jedem Batteriesteuermodul empfangenen
Informationen zu interpretieren und/oder eine Steuerungsreaktion
zu generieren. Sobald die empfangenen Informationen ausgewertet
sind, führt
der Mikroprozessor einen oder mehrere Prozessschritte aus, die das
Generieren von einem oder mehreren bestimmten Befehlen umfassen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
generiert die Mikroprozessor-Einheit 58 einen oder mehrere
der sechs zuvor genannten Befehle. Jeder Befehl ist in Form eines
seriell digitalen Steuerungssignals konfiguriert und weist eine
Serie von 0 bis 5 Volt-Bits auf. Jede Befehlszeichenfolge wird von
einer oder mehreren Adressen begleitet, die als zusätzliches,
seriell digitales Signal konfiguriert sind, das einer oder mehreren
Adressen eines bestimmten Batteriesteuermoduls entspricht. Auf diese
Art und Weise kann die Steuereinheit 22 Steuersignale auf ein
oder mehrere bestimmte Batteriesteuermodule übertragen. Wenn auch ein bestimmtes
Verfahren des Kennzeichnens oder Adressierens der Befehlszeichenfolge
an ein oder mehrere designierte Batteriesteuermodule speziell offenbart
worden ist, ist davon auszugehen, dass andere Techniken des Kennzeichnens
oder Adressierens der Befehlszeichenfolge verwendet werden können, wie
beispielsweise analoge Kennzeichnungstechniken, andere digitale Kennzeichnungstechniken
oder die Verwendung von Vielfachkanälen der Radiofrequenzsignale.
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Das Ausgangssignal von der Mikrokontroller-Einheit 22,
d. h. das adressierte Befehlsimpulssignal wird an einen Radiofrequenzsender
(62) geleitet. Der RF-Sender 62 besteht vorteilhafterweise
aus einem Breitbandsender, der eine Ähnlichkeit zu den Radiofrequenzsendern
in jedem Batteriesteuermodul aufweist. Der RF-Sender 62 nimmt
das seriell digitale Signal auf und überträgt ein Breitband-Radiofrequenzsignal
von etwa 4,5 Megahertz, welches davon abhängt, ob jeweils ein L-Signal
oder ein 0-Signal empfangen worden ist. Ein Ausgang von dem RF-Sender 62 ist
mit der Hauptzuleitung 16 über den in Reihe geschalteten
Kondensator 26 verbunden.
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Um außerdem ein Steuersignal an
jedes Steuermodul bereitzustellen, ist die Mikroprozessor-Einheit 22 außerdem so
konfiguriert, um auch andere Funktionen ausführen zu können, wie zum Beispiel: (1) Überwachen
des aktuellen Ladezustands bezüglich
des Batteriesatzes und dessen Weiterleiten an eine Kraftstoffanzeige;
(2) Steuern des Lüfterbetriebs
in einem Fahrzeug-Batteriefach; (3) Steuern der Betriebs der zusätzlichen
elektrischen Einrichtungen, wie beispielsweise die Heiz- und Kühlfunktionen im
Fahrzeuginnenraum, um die an derartige Einrichtungen geleitete Energie
reduzieren zu können
oder Belastung abzuwerfen, wenn die bestehenden Verhältnisse
eine Batterieladung verlangen; und (4) Aktivieren eines Wartungs- Warnlichtes zum Anzeigen, wenn
eine oder mehrere Batterien oder Batteriezellen innerhalb eines
Batteriesatzes ersetzt oder gewartet werden müssen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform funktioniert
ein Energieverwaltungssystem, das gemäß den Grundsätzen der
vorliegenden Erfindung konstruiert ist. zur Überwachung der Betriebsleistung der
einzelnen Batterien in einem Batteriesatz oder der einzelnen Batteriezellen
in den Batterien, aus denen sich der Batteriesatz zusammensetzt,
um dadurch einen Batterieladeausgleich herstellen zu können. Der
Batterieladeausgleich bezieht sich auf das Steuern des Ladezustands
von jeder Batterie in einem Batteriesatz, so dass jede einzelne
Batterie mit dem gleichen Stand wie die anderen Batterien in dem Batteriesatz
geladen ist. Wenn zum Beispiel eine Batterie in einem Batteriesatz
verhältnismäßig schwächer als
die übrigen
Batterien ist, wird die schwache Batterie selektiv über einen
längeren
Zeitraum oder häufiger
als die anderen Batterien geladen, so dass sie keinen Schwächungseffekt
auf die Gesamtleistung des Batteriesatzes bewirkt. Wenn als weiteres
Beispiel eine Batterie in einem Batteriesatz relativ stärker als
die restlichen Batterien ist, wird die starke Batterie selektiv
entladen, so dass sie keinen Effekt bezüglich einer Reduzierung der
Ladezeit oder Frequenz für
die restlichen Batterien bewirkt. Daher verbessert der Batterieladeausgleich
die Betriebsnutzungsdauer, da jede Batterie in dem Batteriesatz überwacht
und individuell gesteuert wird, um eine gleichmäßige Betriebsleistung erbringen
zu können.
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Das erfindungsgemäße Energieverwaltungssystem
hat verschiedene Vorteile gegenüber
den existierenden Kabelsystemen. Ein Vorteil sind die reduzierten
Materialkosten des Energieverwaltungssystems auf Grund des Wegfalls
von Extrakabeln, Kabelbäumen
und der mit diesen Kabeln in Verbindung stehenden Installation.
Ein weiterer Vorteil besteht dahingehend, dass der Einsatz des Energieverwaltungssystems
den Bedarf von Hochspannungs-Isolationskomponenten ausschließt, die
benötigt
wurden, um Signale mit weit differierenden Grundspannungen zu überwachen
und zu steuern. Ein weiterer Vorteil ist die durch das Energieverwaltungssystem
realisierte Gewichtsersparnis auf Grund des Wegfalls von extra bereitzustellenden
Kabeln, Kabelbäumen
und Hochspannungs-Isolationskomponenten.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Energieverwaltungssystem
sicher zu installieren ist, da es keine Komponenten oder Module
aufweist, die mit höheren
Spannungen als 12 Volt Gleichstrom verbunden sind. Ein weiterer
Vorteil ist, dass das Energieverwaltungssystem zuverlässiger als
ein auf Kabeln basierendes System ist und eine potentiell längere Betriebsnutzungsdauer
aufweist, da die störungsanfälligsten
Elemente von solchen Kabelsystemen fehlen, wie zum Beispiel die
exponierten Signalkabelzüge
neben der Batterie.
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Noch ein weiterer Vorteil des Energieverwaltungssystems
dieser Erfindung ist das Moduldesign der Komponenten, das einen äußerst flexiblen
und robusten Systembetrieb ermöglicht.
Einzelne Fehlfunktionen beispielsweise in einem Batteriesteuermodul
oder ein offener Stromschaltkreis [Leitungsbruch] in einer Batterie
setzt nicht das gesamte System außer Betrieb, da andere Batteriesteuermudule noch
imstande sind, Informationen über
Radiofrequenzüberiragung
an die Steuereinheit zu übertragen
und von dieser Steuersignale zu empfangen. Die Modulkonstruktion
ermöglicht
außerdem
ein einfaches Entfernen eines nicht korrekt bedienbaren oder nicht
funktionierenden Batteriesteuermoduls von dem System sowie das Ersetzen
mit einem reparierten, neuen oder nachgerüsteten Batteriesteuermodul.
Durch ein einfaches Neuprogrammieren oder Anweisen der Steuereinheit
ermöglicht
diese Modulkonstruktion ferner das Einfügen von zusätzlichen Batteriesteuermodulen
oder anderen Systemmodulen in das System.
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Die Modulkonstruktion des Energieverwaltungssystems
erlaubt somit das Einsetzen der Systemkomponenten im Innern der
bereits vorhandenen Elektrosystemkomponenten, wie zum Beispiel das Einsetzen
eines Batteriesteuermoduls in einem Batteriegehäuse, wodurch diese Module von
den Herstellern solcher Elektrosystemkomponenten produziert werden
können.
Beispielsweise kann die Steuereinheit zugleich in einer Motorsteuervorrichtung oder
in einem internen Batterieladegerät hergestellt werden. Das Einbeziehen
der Energieverwaltungssystem-Komponenten in bestehende Elektrosystemkomponenten
ist vorteilhaft, da dies die Kosten für das Energieverwaltungssystem
weiter reduziert, dessen Zuverlässigkeit
erhöht,
dessen Raumanforderungen reduziert, dessen Flexibilität erhöht, und
dem Energieverwaltungssystem außerdem
ermöglicht,
direkt mit der Motorsteuervorrichtung oder dem Batterieladegerät zu kooperieren.
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Wenn auch eine spezielle Ausführungsform des
Energieverwaltungssystems hierin beschrieben und veranschaulicht
worden ist, sind für
die Fachleute auf diesem Gebiet viele Modifikationen und Varianten
erkennbar. Zum Beispiel umfasst ein Energieverwaltungssystem im
Schutzumfang der vorliegenden Erfindung Mittel für einen leichten Transfer der
Radiofrequenzübertragung über den
Hauptzuleitungsweg, wie zum Beispiel über die Hauptzuleitung in einem
elektrischen System, sowie über
ein Nichtleiterverfahren, wie beispielsweise über ein Antennensystem, das
zur Hauptzuleitung entfernt beabstandet ist. Als weiteres Beispiel
kann das Energieverwaltungssystem zum Zwecke der Informationsübertragung Radiofrequenzen
von den Batteriesteuermodulen und Steuersignalen von der Steuereinheit
verwenden, die andersartig als die speziell vorstehend beschriebenen
Radiofrequenzen sind. Außerdem
können
die durch das Energieverwaltungssystem generierten Informationen
und Steuersignale über
Radiofrequenz übertragen
werden, indem analoge anstatt digitale Übertragungsverfahren angewendet
werden.