DE69937220T2

DE69937220T2 - Spannungsmessvorrichtung mit fliegendem kondensator

Info

Publication number: DE69937220T2
Application number: DE69937220T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Hirakata-shi Shimamoto; Nobuyoshi Takatsuki-shi NAGAGATA
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1998-03-06
Filing date: 1999-03-05
Publication date: 2008-07-03
Anticipated expiration: 2019-03-06
Also published as: EP0990913A1; EP0990913B1; WO1999045402A1; EP0990913A4; DE69937220D1; US6362627B1

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Isolationsspannungsmessvorichtung zum Messen der Spannung eines elektrischen Geräts unter elektrischer Isolation gegenüber dem zu messenden elektrischen Gerät, wobei die Erfindung insbesondere eine Spannungsmessvorrichtung unter Verwendung des Schaltkondensatorverfahrens mit einem Kondensator und einem Schalter betrifft.
Stand der Technik
Seit den letzten Jahren wird in einem elektrischen System zum Durchführen von Spannungsmessungen bekannterweise eine Isolationsspannungsmessvorrichtung eingesetzt, wobei das zu messende elektrische Gerät, zum Beispiel eine Spannungsquelle, gegenüber dem elektrischen Potential der Spannungsmessvorrichtung elektrisch isoliert oder getrennt ist. Insbesondere in einem Stromversorgungssystem für ein elektrisches Fahrzeug oder in einem Energiespeichersystem für den Hausgebrauch ist eine Überwachungseinrichtung zum Überwachen der Spannung durch die oben erwähnte Spannungsmessvorrichtung mit den Akkumulatorzellen verbunden, wobei die Spannung der Akkumulatorzellen elektrisch isoliert gegenüber den Akkumulatorzellen gemessen und überwacht wird.
Insbesondere eine Hochleistungsspannungsquelle zur Ausgabe von mehreren hundert Volt an ein elektrisches Fahrzeug oder dergleichen wird dadurch konfiguriert, dass in bekannter Weise eine große Anzahl von sekundären Akkumulatorzellen, die als Nickel/Wasserstoffspeicherzellen in Stapelform oder Aggregat form ausgelegt sind, in Reihe geschaltet werden. Um das Auf- und Entladen der in Reihe geschalteten Zellen zu steuern, ist es erforderlich, das Verhalten jeder einzelnen Zelle zu überwachen. Außerdem ist das Hochspannungssystem, umfassend die Hochleistungsspannungsquelle, in dem elektrischen Fahrzeug gegenüber dem Chassis zur Vermeidung von Kurzschlüssen elektrisch isoliert. Da der Prozessor zum Steuern des Auf- und Entladens andererseits das Gehäuse als Referenzpotential verwendet, ist es notwendig, die Zellspannung in elektrisch isolierter Weise zu messen.
Eine erste Spannungsmessvorrichtung zum Durchführen derartiger Spannungsmessungen umfasst eine Überwachungseinrichtung für ein Akkupack, wie in der japanischen Offenlegungsschrift Nr. 8-140204 offenbart. Die erste herkömmliche Spannungsmessvorrichtung umfasst eine Spannungsüberwachungseinheit, umfassend einen Operationsverstärker, einen Analog/Digital-Wandler, einen Optokoppler und eine Referenzspannungsquelle, und ist ausgelegt, die Spannung eines Akkupacks mit 240 in Reihe geschalteten Zellen (gestapelte Spannungsquellen) zu messen, wobei eine Gesamtspannung von 288 Volt geliefert wird. Da es in der ersten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung tatsächlich schwierig ist, viele Spannungen einer großen Anzahl von einzelnen Zellen zu messen und zu überwachen, sind jeweils 10 Zellen in einem Modul zusammengefasst, wobei die Spannung jedes Moduls, wie in diesem Beispiel die Spannung von insgesamt 24 Modulen, unter Verwendung der Spannungsmessvorrichtung gemessen wird.
In der oben dargelegten ersten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung besteht jedoch ein Problem darin, dass die konstruktive Auslegung der Messvorrichtung ziemlich kompliziert ist, da notwendigerweise jede Spannungsüberwachungseinheit für jedes Modul eine komplexe Konstruktion aufweist.
Eine zweite herkömmliche Spannungsmessvorrichtung ist beispielsweise in der US-Patentanmeldung Nr. 5, 163, 754 offenbart, in der eine Temperaturmessvorrichtung vorgeschlagen wird. Die zweite herkömmliche Spannungsmessvorrichtung misst die Ausgangsspannung eines Thermoelements in elektrisch isolierter Weise unter Verwendung des vorangehend genannten Schaltkondensatorverfahrens.
Die Kernschaltung der zweiten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung soll nachfolgend im Detail unter Bezugnahme auf die 23 erläutert werden, wobei:
23 ist ein Schaltbild, das die Kernschaltung der zweiten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung darstellt.
Wie in der 23 gezeigt, ist in der zweiten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung eine zu messende Spannungsquelle 101 über eine erste Schalteinrichtung 102 mit dem Kondensator 103 verbunden, wobei der Kondensator 103 über die zweite Schalteinrichtung 104 mit der Bufferschaltung 105 verbunden ist. Die erste Schalteinrichtung 102 ist durch zwei sich gegenseitig sperrend arbeitende Schalter 102a und 102b konfiguriert. In gleicher Weise ist die zweite Schalteinrichtung 104 durch zwei sich gegenseitig sperrend arbeitende Schalter 104a und 104b konfiguriert. Jeder Schalter 102a, 102b, 104a und 104b ist aus einem isolierten analogen Treiberschaltelement mit hoher Spannungsfestigkeit, wie beispielsweise einem MOSFET mit optischem Treiber, gefertigt. Die Bufferschaltung 105 ist mit einem an sich bekannten Voltmeter (nicht gezeigt) verbunden.
In der oben dargelegten zweiten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung wird zunächst die erste Schalteinrichtung 102 zum Übertragen der Spannung der Spannungsquelle 101 an den Kondensator 103 eingeschaltet, während die zweite Schalteinrichtung 104 im ausgeschalteten Zustand gehalten wird. Dadurch kann der Kondensator 103 die Spannung aufnehmen. Dann wird die zweite Schalteinrichtung 102 ausgeschaltet und die zweite Schalteinrichtung 104 eingeschaltet, wodurch die Spannung der Spannungsquelle 101 an die Bufferschaltung 105 ausgegeben wird. In dieser Weise misst die zweite herkömmliche Spannungsmessvorrichtung die Spannung der Spannungsquelle 101, wenn sich die ersten und zweiten Schalteinrichtungen 102 und 104 nicht gleichzeitig im eingeschalteten Zustand befinden, wodurch eine elektrische Isolation gegenüber der Spannungsquelle 101 gewährleistet wird.
In der zweiten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung besteht jedoch ein Problem darin, dass sich die Genauigkeit der Spannungserfassung durch und an dem Kondensator 103 verschlechtert, wodurch es zu einer Verschlechterung der Spannungsmessgenauigkeit kommt.
Das Problem der Verschlechterung der Spannungsmessgenauigkeit in der zweiten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die 23 dargelegt werden.
Wie in der 23 gezeigt, wird in dem Fall, wenn die Spannungsquelle 101 mit einer in Bezug auf das Erdpotential unregelmäßigen Störspannung En (nachfolgend als „Gleichtaktfehler" bezeichnet) beaufschlagt wird, die sich im eingeschalteten Zustand befindende erste Schalteinrichtung 102 ausgeschaltet und die zweite Schalteinrichtung 104 eingeschaltet, wodurch sich die Spannung zwischen den beiden Anschlüssen jedes Schalters 102a und 102b von null auf die Störspannung En ändert. Demzufolge fließen in der zweiten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung, wie in der 23 gezeigt, Leckströme Ia und Ib infolge der Ladungsänderung der Kapazitäten der entsprechenden sich im ausgeschalteten Zustand befindenden Schalter 102a und 102b. Der Leckstrom Ia durchläuft den Kondensator 103 und fließt zusammen mit dem Leckstrom Ib in das Erdpotential der Bufferschaltung 105. Folglich kommt es in der zweiten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung zu einem Gleichtaktfehler, bei dem die zur Messung erforderliche Spannung, die in dem Kondensator 103 aufgenommen werden soll, durch den infolge der Störspannung En verursachten Leckstrom Ia kompensiert wird, wodurch die Genauigkeit der Spannungsmessung verschlechtert wird.
Wenn das Messverfahren des Schaltkondensatorverfahrens der zweiten herkömmlichen Spannungsvorrichtung eingesetzt wird, ist es möglich, den Aufbau der Spannungsmessvorrichtung der ersten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung zu vereinfachen. Selbst dann, wenn das Messverfahren der zweiten herkömmlichen Vorrichtung eingesetzt wird, ist es jedoch erforderlich, für die 24 Module (gestapelte Spannungsquellen) kostenintensive, isolierte analoge Treiberschaltelemente, umfassend insgesamt 96 Elemente, einzusetzen, so dass weitere Verbesserungen in Bezug auf die Kosten, Größe und Zuverlässigkeit notwendig sind.
Nachfolgend soll eine dritte herkömmliche Spannungsmessvorrichtung unter Bezugnahme auf die 24 dargelegt werden.
24 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der dritten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung darstellt.
Wie in der 24 gezeigt, ist die in der 19 gezeigte Bufferschaltung 105 in der dritten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung durch den Differenzverstärker 106 ersetzt, wobei der Widerstand 107 zum Einpegeln des Potentials des Kondensators 103 im Eingangsbetriebsbereich des Differenzverstärkers 106 vorgesehen ist. Der Widerstand 107 ist aus in Reihe geschalteten Widerständen 107a und 107b zusammengesetzt, wobei ein dazwischen angeordneter Zwischenanschluss geerdet ist.
In der dritten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung treten, genauso wie in der zweiten herkömmlichen Vorrichtung, gezeigt in der 23, Leckströme Ia und Ib auf. In der dritten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung sind die Widerstände 107a und 107b jedoch so gewählt, dass sie den gleichen Wert aufweisen, so dass die Leckströme Ia und Ib über die entsprechenden Widerstände 107a und 107b ohne Durchlaufen des Kondensators 103 in das Erdpotential fließen. Dementsprechend kommt es in der dritten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung zu keinem Gleichtaktfehler.
In der dritten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung bestehen jedoch sich einander entgegenstehende Entwurfvorgaben, wobei in Anbetracht der für den Differenzverstärker 106 erforderlichen Einpegelzeit, die durch den Widerstandswert des Widerstands 107 und durch die Kapazität im ausgeschalteten Zustand der ersten Schalteinrichtung 102 bestimmt wird, der Widerstandswert des Widerstands 107 klein gewählt sein sollte, um die zum Einpegeln benötigte Zeit zu verkürzen. Dahingegen sollte der oben erwähnte Widerstandswert in Anbetracht des Spannungsverlusts über den Kondensator 103 in der Periode ab den Zeitpunkt, wenn die zweite Schalteinrichtung 104 eingeschaltet wird, bis zu dem Zeitpunkt, wenn die Spannungsmessung beendet ist, groß gewählt sein. Der Grund dafür besteht darin, den Spannungsabfall über den Widerstand 107 zu reduzieren. Demzufolge ist es in der dritten herkömmlich Spannungsmessvorrichtung nicht in einfacher Weise möglich, den Widerstandswert zu wählen und zu bestimmen, da es dabei aufgrund des Spannungsverlusts entweder zu einem Anstieg der Einpegelzeit oder zum Auftreten eines Spannungsverlustfehlers kommt, so dass es schwierig ist, die Genauigkeit der Messvorrichtung zu verbessern.
Nachfolgend soll eine herkömmliche Spannungsmessvorrichtung zum Messen der Spannung einer Vielzahl von elektrisch gegen einander isolierten Spannungsquellen unter Bezugnahme auf die 25 dargelegt werden. Die vierte herkömmliche Spannungsmessvorrichtung ist in der japanischen Offenlegungsschrift No. 9-1617 dargestellt.
25 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der vierten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung darstellt.
In der vierten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung, gezeigt in der 25, ist jeweils eine Schaltkondensatorschaltung, umfassend einen Kondensator sowie erste und zweite Schalter, mit jeder Spannungsquelle 111, 112, 113 etc. verbunden, so wie die in 23 gezeigte Spannungsmessvorrichtung mit der dort gezeigten Spannungsquelle verbunden ist. Die erste Schalteinrichtung 121, der Kondensator 131 und die zweite Schalteinrichtung 141 sind beispielsweise in dieser Reihenfolge mit der Spannungsquelle 111 verbunden. Des Weiteren sind in der vierten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung beide Enden jedes zweiten Schalters 141, 142, 143 etc. mit einem Analog/Digital-Wandler 150 verbunden, der wiederum mit einer nicht gezeigten digitalen Zählerschaltung verbunden ist.
In der vierten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung werden zunächst die ersten Schalteinrichtungen 121, 122, 123 etc. eingeschaltet, während die zweiten Schalteinrichtungen 141, 142, 143 etc. im ausgeschalteten Zustand gehalten werden, wodurch die Kondensatoren 131, 132, 133 etc. mit den Spannungen der entsprechenden Spannungsquellen 111, 112, 113 etc. aufgeladen werden. Nunmehr werden die zweiten Schalteinrichtungen 141, 142, 143 etc. in sequentieller Weise eingeschaltet, während die ersten Schalteinrichtungen 121, 122, 123 etc. im ausgeschalteten Zustand gehalten werden, wodurch die Anschlussspannungen der Kondensatoren 131, 132, 133 etc. an den Analog/Digital-Wandler 150 übertragen werden. In dieser Weise wird in der vierten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung die Spannung der Vielzahl von Spannungsquellen gemessen, während die elektrische Isolation zwischen jeder Spannungsquelle und der Zählerschaltung durch das Tastverhältnis der Aktivierungszustände der entsprechenden Schalter aufrecht gehalten wird.
Da für die vierte herkömmliche Spannungsmessvorrichtung genauso viele Schaltkondensatorschaltungen bereitgestellt werden müssen, wie Spannungsquellen vorgesehen sind, ist es nicht möglich, die Konfiguration der Messvorrichtung zu vereinfachen. Außerdem tritt der gleiche Gleichtaktfehler wie in der zweiten herkömmlichen Vorrichtung auf, wodurch in jedem Kondensator eine Verschlechterung der Spannungserfassungsgenauigkeit bewirkt wird, so dass folglich die Spannungsmessgenauigkeit verschlechtert wird.
Wie oben dargelegt, ist es in den herkömmlichen Spannungsmessvorrichtungen nicht möglich, die Konfiguration der Messvorrichtung zu vereinfachen; wobei noch hinzukommt, dass es schwierig ist, Probleme hinsichtlich der Messeigenschaft, wie beispielsweise Gleichtaktfehler, Einpegelzeit oder Spannungsverlustfehler, zu reduzieren.
In der japanischen Offenlegungsschrift No. 10-040770 wird eine analoge Multiplexerschaltung vorgeschlagen. Die Schaltung ist aus Relais zur Schaltverbindung zwischen Eingangsanschlüssen und einem Ladekondensator, sowie aus Relais zur Schaltverbindung zwischen dem Ladekondensator und einem Eingangs-Bufferverstärker aufgebaut. Wenn der erste Eingangskanal gemessen wird, werden die dem Eingangskanal entsprechenden Relais geschlossen, wobei in dem Ladekondensator ein Eingangssignal gespeichert wird, und wobei die zum Aufladen des Eingangssignals mit der Ladung des Ladekondensator für ausreichend bemessene Zeit abläuft. Hiernach werden nunmehr die Relais geöffnet, wobei die Relais zwischen dem Ladekondensator und dem Eingangs-Bufferverstärker anschließend geschlossen werden, so dass das in dem Ladekondensator gespeicherte analoge Signal an den Eingangs-Bufferverstärker übertragen wird.
In der japanischen POffenlegungsschrift No. 63-129708 wird eine analoge Multiplexereingangsschaltung vorgeschlagen. Gemäß dieser Offenbarung wird ein Relais der Eingangsauswahlschaltung beim Wählen eines Eingangs für das analoge Signal geschlossen, wodurch der Kondensator der Schaltkondensatorschalturig an diesem Eingang aufgeladen wird. Hierdurch wird die Schaltkondensatorschaltung aktiviert, d. h. der Ladekondensator wird mit dem Eingangsanschluss des Eingangsverstärkers verbunden. In diesem Fall ist die Spannung über den Kondensator proportional zu dem Eingang. Die Spannung am Ausgangsanschluss des Eingangsverstärkers wird zum Erfassen der Spannung des analogen Signals am Eingang durch einen Analog/Digital-Wandler gemessen.
In der japanischen Offenlegungsschrift 06-061962 wird ein Halbleiterschaltkondensator-Multiplexer vorgeschlagen. Gemäß dieser Offenbarung ist in der Zufuhrphase der gemessenen Spannung durch einen Halbleiterschalter ein erster Hilfsschalter, der sich in demselben Zustand öffnet und schließt wie der erste Halbleiterschalter, vorgesehen. Der Verbindungspunkt zwischen beiden Schaltern ist über eine erste Erdungsleitung mit einer erdseitigen Signalleitung einer Spannungsverarbeitungsschaltung verbunden. Außerdem ist ein erster Erdungsschalter, der sich entgegengesetzt zu dem ersten Halbleiterschalter öffnet und schließt, in der Leitung vorgesehen. In derselben Weise sind ein zweiter Hilfsschalter, eine zweite Erdungsleitung und ein zweiter Erdungsschalter für die Spannungsverarbeitungsschaltung eines zweiten Halbleiterschalters vorgesehen.
Offenbarung der Erfindung
Besondere Aspekte der Erfindung sind in den beigefügten Ansprüchen dargelegt.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Spannungsmessvorrichtung zu liefern, die die Genauigkeit der Spannungsmessung in einfacher Weise verbessern kann, indem Probleme hinsichtlich der Messeigenschaft, wie beispielsweise Gleichtaktfehler, Einpegelzeit und Spannungsverlustfehler reduziert werden, und wobei die Konfiguration der Vorrichtung vereinfacht werden kann.
Um das oben genannte Ziel zu erreichen, umfasst die erfindungsgemäße Spannungsmessvorrichtung Folgendes: einen Kondensator, der durch eine Vielzahl von Kondensatorelementen konfiguriert ist und der an einem Verbindungspunkt in zwei Bereiche mit gleicher Kapazität aufgeteilt ist; eine erste Schalteinrichtung zum Verbinden einer zu messenden Spannungsquelle mit beiden Anschlüssen des Kondensators; einen Differenzverstärker; eine zweite Schalteinrichtung zum Verbinden beider Anschlüsse des Kondensators mit Eingängen des Differenzverstärkers; und einen dritten Schalter zum Verbinden des Verbindungspunkts der Kondensatoren mit dem Signalreferenzpotential des Differenzverstärkers zeitsynchronisiert mit der zweiten Schalteinrichtung.
Mit der oben dargelegten Konfiguration ist es möglich, die Genauigkeit der Spannungsmessung in einfacher Weise zu verbessern, indem die oben dargelegten Probleme hinsichtlich der Messgenauigkeit gemildert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Spannungsmessvorrichtung Folgendes: einen Kondensator; eine erste Gruppe von Schalteinrichtungen zum wahlweisen Verbinden beider Anschlüsse von jeder unter der Vielzahl von zu messenden Spannungsquellen mit beiden Anschlüssen des Kondensators; und eine mit beiden Anschlüssen des Kondensators verbundene zweite Schalteinrichtung.
Mit der oben dargelegten Konfiguration ist es möglich, die Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung zum Durchführen von Messungen einer Vielzahl von Spannungsquellen zu vereinfachen, wobei es ferner möglich ist, die Genauigkeit der Spannungsmessung in einfacher Weise durch Verringern der oben genannten Probleme hinsichtlich der Messeigenschaften zu verbessern.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst die Spannungsmessvorrichtung Folgendes: (N + 1) Spannungsdetektionsanschlüsse, die mit N in Reihe geschalteten (N ist eine ganze Zahl) Spannungsquellen verbunden sind; einen Kondensator; einen ersten Multiplexer zum wahlweisen Verbinden der ungeradzahligen Spannungsdetektionsanschlüsse mit einem Anschluss des Kondensators; einen zweiten Multiplexer zum wahlweisen Verbinden der geradzahligen Spannungsdetektionsanschlüsse mit dem anderen Anschluss des Kondensators; eine mit beiden Anschlüssen des Kondensators verbundene zweite Schalteinrichtung; und einen Polaritätskorrektor, um Spannungen der ungeradzahligen Spannungsquellen hinsichtlich der Polarität den Spannungen der geradzahligen Spannungsquellen anzugleichen.
Mit der oben dargelegten Konfiguration ist es möglich, die Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung zum Messen der Spannung jeder einzelnen gestapelten Spannungsquelle zu vereinfachen, wobei es ferner möglich ist, die Genauigkeit der Spannungsmessung in einfacher Weise durch Redzieren der oben genannten Probleme hinsichtlich der Messeigenschaften zu verbessern.
Die neuen Merkmale der Erfindung sollen nachfolgend im Detail erläutert werden und sind insbesondere in den beigefügten Ansprüchen dargelegt, wobei der Aufbau und die Einzelheiten der Erfindung zusammen mit anderen Gegenständen und Merkmalen der Erfindung unter Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verstanden und erkannt werden soll.
Kurze Beschreibug der Zeichnungen
1 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
2 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
3 ist ein Zeitdiagramm, das die Zeitfolge der Schaltvorgänge der entsprechenden Schalter in der Spannungsmessvorrichtung, gezeigt in der 2, darstellt.
4 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
5 ist ein Zeitdiagramm, das die Zeitfolge der Schaltvorgänge der entsprechenden Schalter in der Spannungsmessvorrichtung, gezeigt in der 4, darstellt.
6 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
7 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
8 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
9 ist ein Schaltbild, das im Detail die Konfiguration des Polaritätskorrektors, gezeigt in der 8, darstellt.
10 ist ein Zeitdiagramm, das die Zeitfolge der Schaltvorgänge der entsprechenden Schalter in der Spannungsmessvorrichtung, gezeigt in der 8, darstellt.
11 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
12 ist ein Zeitdiagramm, das die Zeitfolge der Schaltvorgänge der entsprechenden Schalter in der Spannungsmessvorrichtung, gezeigt in der 11, darstellt.
13 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
14 ist ein Zeitdiagramm, das die Zeitfolge der Schaltvorgänge der entsprechenden Schalter in der Spannungsmessvorrichtung, gezeigt in der 13, darstellt.
15 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
16 ist ein Zeitdiagramm, das die Zeitfolge der Schaltvorgänge der entsprechenden Schalter in der Spannungsmessvorrichtung, gezeigt in der 15, darstellt.
17 ist ein Ablaufdiagramm, das einen Gleichtaktfehler zeigt, der bei der Spannungsmessung einer gestapelten Spannungsquelle auftritt.
18 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
19 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtungin einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
20 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
21 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
22 ist ein Schaltbild, das im Detail die Konfiguration. eines Schalters der Spannungsmessvorrichtung in einer vierzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
23 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration eines primären Abschnitts einer zweiten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung darstellt.
24 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration einer dritten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung darstellt.
25 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration einer vierten herkömmlichen Spannungsmessvorrichtung darstellt.
Es soll erkannt werden, dass alle oder ein Teil der Zeichnungen ausschließlich schematische Darstellungen für Zwecke der Veranschaulichung sind, die nicht unweigerlich realitätsgetreue Darstellungen der tatsächlichen relativen Größen und Positionen der gezeigten Elemente sind.
Darstellung bevorzugter Ausführungsformen
Nachfolgend sollen bevorzugte Ausführungsformen der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 bis 22 erläutert werden.
1. Ausführungsform
1 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Wie in der 1 gezeigt, umfasst die Spannungsmessvorrichtung dieser ersten Ausführungsform eine erste Schalteinrichtung 2, die mit beiden Enden einer zu messenden Spannungsquelle 1 verbunden ist und die zum Verbinden der Spannungsquelle 1 mit beiden Anschlüssen des nachgeschalteten Kondensators 3 dient, und den Kondensator 3 zum Zwischenspeichern der Spannung der Spannungsquelle 1. Außerdem umfasst die Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden ersten Ausführungsform eine zweite Schalteinrichtung 4 zum Verbinden beider Anschlüsse des Kondensators 3 mit einem Differenzverstärker 6 und einen dritten Schalter 8 zum Verbinden eines Zwischenverbindungspunkts TO des Kondensators 3 mit dem Signalreferenzpotential des Differenzverstärkers 6 zeitsynchronisiert mit der ersten Schalteinrichtung 4.
Die erste Schalteinrichtung 2 ist vorzugsweise aus zwei Halbleiterschaltelementen aufgebaut. Die erste Schalteinrichtung 2 umfasst insbesondere zwei sich gegenseitig sperrend arbeitende Schalter 2a und 2b.
Der Kondensator 3 ist aus zwei in Reihe geschalteten Kondensatorelementen 3a und 3b mit gleicher Kapazität aufgebaut. Der Zwischenverbindungspunkt TO in dem Kondensator 3 ist über den dritten Schalter 8 mit dem Signalreferenzpotential, das heißt mit dem Erdpotential des Differenzverstärkers 6, verbunden.
Die zweite Schalteinrichtung 4 ist vorzugsweise aus zwei Halbleiterschaltelementen aufgebaut. Die zweite Schalteinrichtung 4 umfasst insbesondere zwei sich gegenseitig sperrend arbeitende Schalter 4a und 4b.
Der Differenzverstärker 6 umfasst die Funktion der Bufferschaltung zum Ausgeben der in dem Kondensator 3 gespeicherten Spannung als stabilen Wert. Die Differenzeingangsanschlüsse 6p und 6q des Differenzverstärkers 6 sind mit den Schaltern 4a beziehungsweise 4b verbunden, wobei der Spannungsausgangsanschluss 6r und der Referenzpotentialanschluss 6s des Differenzverstärkers 6 mit einem analogen Voltmeter oder mit einer digitalen Zählerschaltung, umfassend einen Analog/Digital-Wandler (nicht gezeigt), verbunden sind. Der Differenzverstärker 6 kann aufgrund seiner Differenzeigenschaft, die nachfolgend im Detail dargelegt werden soll, das Auftreten eines Gleichtaktfehlers verhindern.
Der dritte Schalter 8 ist vorzugsweise als Halbleiterschaltelement ausgelegt und schaltet zeitsynchronisiert mit der zweiten Schalteinrichtung 4.
In der in dieser Weise konfigurierten Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform treten aufgrund der Kapazität im ausgeschalteten Zustand der ersten Schalteinrichtung 2 zu dem Zeitpunkt, wenn die zweite Schalteinrichtung 4 und der dritte Schalter 8 eingeschaltet werden, die Leckströme Ia und Ib auf. In der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform durchlaufen die Leckströme Ia und Ib jedoch die entsprechenden Kondensatorelemente 3a und 3b, die über den dritten Schalter 8 mit dem Erdpotential verbunden sind. Insbesondere in dem Fall, wenn die Leckströme Ia und Ib in die durch Pfeile angezeigte Richtung fließen, wie in der 1 gezeigt, erzeugt der Leckstrom Ia über dem Kondensatorelement 3a beispielsweise eine positive Offsetspannung, während der Leckstrom Ib über dem Kondensatorelement 3b eine negative Offsetspannung erzeugt. Diese Offsetspannungen weisen aufgrund der Symmetrie der Schaltung in Bezug auf den Zwischenverbindungspunkt TO den gleichen Betrag auf, wobei sie sich durch die Differenzeigenschaft des Differenzverstärkers 6 gegenseitig aufheben.
Aus diesem Grund kommt es in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform zu keinem Gleichtaktfehler.
Außerdem kann in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform der Anstieg der Einpegelzeit in der dritten herkömmlichen Vorrichtung, gezeigt in der 24, überwunden werden. Der Grund dafür besteht darin, dass in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform die Einpegelzeit in dem Differenzverstärker 6 durch die Kapazität im ausgeschalteten Zustand der ersten Schalteinrichtung 2 und durch den Widerstand im eingeschalteten Zustand des dritten Schalters 8 bestimmt wird, wobei der Widerstand im eingeschalteten Zustand jedoch deutlich kleiner ist als der Widerstandswert des Widerstands in der vorangehend genannten herkömmlichen Vorrichtung. Dementsprechend kann in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform die Einpegelzeit in ein facher Weise verkürzt werden, so dass es möglich ist, die Eigenschaften der Messvorrichtung gegenüber der vorangehend dargelegten herkömmlichen Vorrichtung erheblich zu verbessern.
Da in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform auf den Widerstand, der den Verlustfehler verursacht, verzichtet werden kann, ist es möglich, das Problem des in der dritten herkömmlichen Vorrichtung auftretenden Spannungsverlustfehlers zu überwinden, indem ein Differenzverstärker gewählt wird, der einen kleinen Eingangsruhestrom aufweist, so dass er dem Eingangsstrom der externen verbundenen Zählerschaltung entspricht.
Die oben dargelegte Beschreibung befasste sich mit der Konfiguration unter Verwendung eines Kondensators, umfassend zwei in Reihe geschaltete Kondensatorelemente, wobei die Anzahl der Kondensatorelemente nicht zwangsläufig auf zwei beschränkt ist. Die einzige Bedingung besteht darin, dass der Kondensator mit einer Vielzahl von Kondensatorelementen zu konfigurieren ist, die so zwischen zwei Bereichen aufgeteilt sein können, dass jeder Kondensatorabschnitt die gleiche Kapazität aufweist, wenn er ausgehend von einem mit dem dritten Schalter verbundenen (Zwischen-) Verbindungspunkt betrachtet wird.
Die zu messende Spannungsquelle kann ein Akkupack, eine Gleichspannungsquelle, eine Wechselspannungsquelle, ein Sensor oder dergleichen sein.
2. Ausführungsform
2 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform ist in der Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung eine erste Gruppe von Schalteinrichtungen zum wahlweisen Verbinden beider Anschlüsse von jeder unter der Vielzahl von Spannungsquellen mit beiden Anschlüssen eines gemeinsamen Kondensators vorgesehen. Andere Elemente und Bereiche, die denen der ersten Ausführungsform ähneln und aus diesem Grund überschneidende Beschreibungen zu ähnlichen Punkten sind, werden weggelassen.
In der 2 umfasst die zu messende Spannungsquelle 10 eine Vielzahl von unabhängigen Spannungsquellen 11, 12, 13 etc. Wie in der 2 gezeigt, umfasst die Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform eine erste Gruppe von Schalteinrichtungen 20, umfassend die Schalteinrichtungen 21, 22, 23 etc., die mit den entsprechenden Spannungsquellen 11, 12, 13 etc. verbunden sind, einen Kondensator 7, der mit der ersten Gruppe von Schalteinrichtungen 20 verbunden ist und eine Bufferschaltung 6, die über die zweite Schalteinrichtung 4 mit dem Kondensator 7 verbunden ist.
Die Schalteinrichtungen 21, 22, 23 etc. haben jeweils dieselbe Funktion wie die erste Schalteinrichtung 2, gezeigt in der 1, wobei die Schalteinrichtung 21 beispielsweise vorzugsweise aus zwei Halbleiterschaltelementen aufgebaut ist. Die Schalteinrichtung 21 umfasst insbesondere zwei sich gegenseitig sperrend arbeitende Schalter 21a und 21b. Die Schalteinrichtungen 21, 22, 23 etc. sind über die gemeinsamen Ausgangs anschlösse 20r und 20s mit dem Kondensator 7 und mit der zweiten Schalteinrichtung 4 verbunden.
Der Kondensator 7 dient zum Zwischenspeichern der Spannung der Spannungsquelle, die durch die erste Gruppe von Schalteinrichtungen 20 gewählt wird.
Die Bufferschaltung 5 ist eine Schaltung mit hoher Eingangsimpedanz und gibt den in dem Kondensator 7 gespeicherten Spannung als stabilen Wert aus. Der Eingangsanschluss 5p und der eingangsseitige Referenzpotentialanschluss 5q der Bufferschal tung 5 sind mit den Schaltern 4a beziehungsweise 4b verbunden, wobei der Spannungsausgangsanschluss 5r und der ausgangsseitige Referenzpotentialanschluss 5s derselben mit einem analogen Voltmeter oder mit einer digitalen Zählerschaltung, umfassend einen Analog/Digital-Wandler (nicht gezeigt), verbunden sind. Hierbei kann auf die Bufferschaltung 5 verzichtet werden, wenn die Zählerschaltung einen Eingangsabschnitt mit hoher Eingangsimpedanz aufweist, wobei zur Fertigung der Messvorrichtung die zweite Schalteinrichtung 4 direkt mit dem Eingangsabschnitt verbunden werden kann.
Der Betrieb der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die 3 dargelegt werden. Die nachfolgende Beschreibung beruht auf der Annahme, dass sich jeder Schalter normalerweise im ausgeschalteten Zustand befindet.
3 ist ein Zeitdiagramm, das die Zeitfolge der Schaltvorgänge der entsprechenden Schalter in der Spannungsmessvorrichtung, gezeigt in der 2, darstellt.
Wie in der 3 gezeigt, wird der Kondensator 7 mit der Spannung der Spannungsquelle 11 aufgeladen, wenn die Schalter 21a und 21b in einer Periode 21 geschlossen sind. Anschließend wird die von der Spannungsquelle 11 übertragene Spannung, die den Kondensator 7 aufgeladen hat, von dem Kondensator 7 an die Bufferschaltung 5 übertragen, wenn die Schalter 4a und 4b eingeschaltet werden, nachdem die Schalter 21a und 21b ausgeschaltet werden. Nunmehr kann die Bufferschaltung 5 eine Ausgabe erzeugen, die in die externe Zählerschaltung ausgegeben wird. In ähnlicher Weise werden die Schalter 22a und 22b anstelle der Schalter 21a und 21b in einer Periode 22 betrieben, während die Schalter 23a und 23b in einer Periode 23 betrieben werden. In dieser Weise können die Spannungen der Spannungs quellen 12 und 13 in sequentieller Weise durch die Bufferschaltung 5 gewonnen werden.
Wie oben dargelegt, ist es in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform lediglich erforderlich, einen Kondensatoren 7 und die zweite Schalteinrichtung 4 unabhängig von der Anzahl der Spannungsquellen vorzusehen, wodurch es möglich ist, die Konfiguration der Vorrichtung gegenüber der Konfiguration der vierten herkömmlichen Vorrichtung, gezeigt in der 25, zu vereinfachen.
3. Ausführungsform
4 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. 5 ist ein Zeitdiagramm, das die Zeitfolge der Schaltvorgänge der entsprechenden Schalter in der Spannungsmessvorrichtung, gezeigt in der 4, darstellt. In dieser Ausführungsform ist in der Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung ein Schalter zwischen der ersten Gruppe von Schalteinrichtungen und dem Kondensator vorgesehen, der zeitsynchronisiert mit der ersten Gruppe von Schalteinrichtungen schaltet. Die weiteren Elemente und Bereiche, die denen der ersten Ausführungsform ähneln und demzufolge wesensgleiche Beschreibungen zu ähnlichen Punkten sind, werden weggelassen.
Wie in der 4 gezeigt, ist in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform der Schalter 9a vorgesehen, der zwischen der ersten Gruppe von Schalteinrichtungen 20 und dem Kondensator 7 verbunden ist. Der Schalter 9a ist insbesondere mit einem Ausgangsanschluss der ersten Gruppe von Schalteinrichtungen 20, mit einem Anschluss des Kondensators 7 und mit einem Ende des Schalters 4a verbunden. Der Schalter 9a schaltet zeitsynchronisiert mit jeder Schalteinrichtung 21, 22, 23 etc. der ersten Gruppe von Schalteinrichtungen 20. Demzufolge kann in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform gegenüber der Vorrichtung der zweiten Ausführungsform der Gleichtaktfehler reduziert werden. Der Grund dafür besteht darin, dass der Leckstrom, der zu einem Anschluss des Kondensators 7 fließt, proportional zu der Kapazität im ausgeschalteten Zustand und zu der Bandbreite der Spannungsänderung an dem Schalter an der Anschlussseite ist. In der Konfiguration der zweiten Ausführungsform, gezeigt in der 2, werden die Kapazitäten im ausgeschalteten Zustand der entsprechenden Schalteinrichtungen 21, 22, 23 etc. parallel zu der Kapazität des Kondensators 7 hinzugeschaltet.
Demgegenüber wird in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform die im ausgeschalteten Zustand des Schalters 9a vorliegende Kapazität in Reihe zu der Kapazität des Kondensators 7 hinzugeschaltet, so dass die im ausgeschalteten Zustand vorliegende Gesamtkapazität innerhalb der im ausgeschalteten Zustand jeder Schalteinrichtung 21, 22, 23 etc. vorliegenden Kapazität gehalten werden kann, wodurch es folglich möglich ist, den Gleichtaktfehler zu reduzieren.
4. Ausführungsform
6 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform sind in der Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung beide Enden des Kondensators, der aus einer Vielzahl von Kondensatorelementen aufgebaut ist, mit der ersten Gruppe von Schalteinrichtungen verbunden, wobei der Zwischenverbindungspunkt des Kondensators 3 über einen dritten Schalter geerdet ist. Außerdem ist anstelle der Bufferschaltung ein Differenzverstärker mit der zweiten Schalteinrichtung verbunden, so dass der Gleichtaktfehler weiterhin reduziert werden kann. Andere Elemente und Bereiche, die denen der zweiten Ausführungsform ähneln und demzufolge überschneidende Beschreibungen zu ähnlichen Punkten sind, werden weggelassen.
Wie in der 6 gezeigt, ist in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform die erste Gruppe von Schalteinrichtungen 20 mit dem Kondensator 3 verbunden, der aus zwei in Reihe geschalteten Kondensatorelementen 3a und 3b aufgebaut ist. Der Zwischenverbindungspunkt TO in dem Kondensator 3 ist, genauso wie in der ersten Ausführungsform, über den dritten Schalter 8 mit dem Erdpotential verbunden. Außerdem ist der Differenzverstärker 6, der als Differenzeingangsbufferschaltung ausgelegt ist, mit der zweiten Schalteinrichtung 4 verbunden.
Mit der oben dargelegten Konfiguration durchlaufen in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform die unter Bezugnahme auf die 1 dargelegten Leckströme Ia und Ib die entsprechenden Kondensatorelemente 3a und 3b und sind über den dritten Schalter 8 mit dem Erdpotential verbunden. Folglich heben sich in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform, genauso wie in der ersten Ausführungsform, die Offsetspannungen infolge der Leckströme Ia und Ib durch die Differenzeigenschaft des Differenzverstärkers 6 gegenseitig auf, so dass der Gleichtaktfehler nicht auftritt.
5. Ausführungsform
7 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform ist in der Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung ein Paar von Schaltern zwischen der ersten Gruppe von Schalteinrichtungen und dem Kondensator vorgesehen, die zeitsynchronisiert mit der ersten Gruppe von Schalteinrichtungen schalten. Andere Elemen te und Bereiche, die denen der vierten Ausführungsform ähneln und demzufolge überschneidende Beschreibungen zu ähnlichen Punkten sind, werden weggelassen.
Wie in der 7 gezeigt, ist in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform ein Paar von Schaltern 9a und 9b vorgesehen, die zwischen der ersten Gruppe von Schalteinrichtungen 20 und dem Kondensator 3 verbunden sind. Die Schalter 9a und 9b sperren sich gegenseitig und schalten zeitsynchronisiert mit den Schalteinrichtungen 21, 22, 23 etc. der ersten Gruppe von Schalteinrichtungen 20, wie durch 9a in der 5 gezeigt. Mit dieser Konfiguration kann die Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform den Gleichtaktfehler gegenüber der Vorrichtung der vierten Ausführungsform reduzieren. Der Grund dafür besteht darin, dass in der Konfiguration der vierten Ausführungsform, gezeigt in der 6, die Schaltungssymmetrie durch die Symmetrie zwischen den im ausgeschalteten Zustand jeder Schalteinrichtung 21, 22, 23 etc. vorliegenden Kapazitäten und zwischen den Kapazitäten der Kondensatorelemente 3a und 3b definiert ist, wobei aber tatsächlich aufgrund der Bauteiltoleranzen die Fehler sich nicht vollständig gegenseitig kompensieren. Um diesen Kompensationsfehler zu reduzieren ist es vorteilhaft, die Leckströme zu verringern, die den Fehler ausgehend von der Schaltungskonfiguration verursachen, anstatt die Genauigkeit der Bauteile an sich zu erhöhen. Dementsprechend kann in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform durch Vorsehen der Schalter 9a und 9b eine ähnliche Wirkung erzielt werden, wie die Wirkung, die mit dem Schalter 9a in der dritten Ausführungsform erzielt wird und die dazu dient, den Gleichtaktfehler gegenüber der vierten Ausführungsform zu reduzieren.
6. Ausführungsform
8 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform ist die Spannungsmessvorrichtung ausgelegt, die Spannung jeder einzelnen Spannungsquelle unter der Vielzahl von in Reihe geschalteten Spannungsquellen zu messen, die eine gestapelte Spannungsquelle bilden. Andere Elemente und Bereiche, die denen der zweiten Ausführungsform ähneln und demzufolge überschneidende Beschreibungen zu ähnlichen Punkten sind, werden weggelassen.
In der 8 umfasst die zu messende Spannungsquelle 30 N (N ist eine ganze Zahl) in Reihe geschaltete Spannungsquellen, beispielsweise fünf in Reihe geschaltete Spannungsquellen 31 bis 35, wobei ein spezifisches Beispiel für ein derartiges elektrisches Gerät ein Akkupack ist, das aus einer Vielzahl von in Reihe geschalteten Akkumulatorzellen aufgebaut ist.
Wie in dieser Figur gezeigt, umfasst die Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform sechs Spannungsdetektionsanschlüsse T1 bis T6, die mit der Spannungsquelle 30 verbunden sind und einen Kondensator 7 zum Zwischenspeichern der Spannung jeder Spannungsquelle 31 bis 35. Die Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform umfasst des Weiteren einen ersten Multiplexer 41 zum wahlweisen Verbinden der ungeradzahligen Spannungsdetektionsanschlüsse T1, T3 und T5 mit einem Anschluss des Kondensators 7 und einen zweiten Multiplexer 42 zum wahlweisen Verbinden der geradzahligen Spannungsdetektionsanschlüsse T2, T4 und T6 mit dem anderen Anschluss des Kondensators 7. Außerdem umfasst die Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform eine Bufferschaltung 5, die über die zweite Schalteinrichtung 4 mit dem Kondensator 7 verbunden ist, und die zur Ausgabe der in dem Kondensator 7 gespeicherten Spannung dient, und einen Polaritätskorrektor 51 zum Korrigieren der Spannungspolarität des von der Bufferschaltung 5 auszugebenden Signals.
Der erste Multiplexer 41 umfasst die jeweils unabhängig voneinander arbeitenden Schalter 41a, 41b und 41c, wobei ein Ende jedes Schalters mit dem Ende der ungeradzahligen Spannungsdetektionsanschlüsse T1, T3 beziehungsweise T5 verbunden ist. Die Schalter 41a, 41b und 41c sind über einen gemeinsamen Ausgangsanschluss 41r mit einem Anschluss des Kondensators 7 sowie mit einem Ende des Schalters 4a verbunden.
In ähnlicher Weise umfasst der zweite Multiplexer 42 die jeweils unabhängig voneinander arbeitenden Schalter 42a, 42b und 42c, wobei ein Ende jedes Schalters mit dem Ende der geradzahligen Spannungsdetektionsanschlüsse T2, T4 beziehungsweise T6 verbunden ist. Die Schalter 42a, 42b und 42c sind über einen gemeinsamen Ausgangsanschluss 42r mit dem anderen Anschluss des Kondensators 7 sowie mit einem Ende des Schalters 4b verbunden.
In der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform wird die Spannung jeder geradzahligen Spannungsquelle 32 und 34, deren Polarität in Bezug auf die Spannung jeder ungeradzahligen Spannungsquelle 31, 33 und 35 umgekehrt ist, über den Kondensator 7 und über die zweite Schalteinrichtung 4 an die Bufferschaltung 5 ausgegeben. Dementsprechend ist in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform der Polaritätskorrektor 51 mit der Bufferschaltung 5 verbunden, um die Spannungspolarität der detektierten Spannung zwischen den ungeradzahligen Spannungsquellen 31, 33. und 35 und den geradzahligen Spannungsquellen 32 und 34 anzugleichen, wenn das Ausgangssignal von der Bufferschaltung 5 ausgegeben wird. In der 9 ist ein spezielles Beispiel einer Konfiguration des Polaritätskorrektors 51 gezeigt. Wie in der 9 gezeigt, ist der Polaritätskorrektor 51 durch eine an sich bekannte Absolutwertschaltung konfiguriert und hat die Funktion, für das Ausgangssignal der Bufferschaltung 5 stets die gleiche Spannungspolarität bereitzustellen. Der Eingangsanschluss 51p und der Ausgangsanschluss 51r der Absolutwertschaltung 51 sind mit dem Spannungsausgangsanschluss 5r der Bufferschaltung 5 beziehungsweise mit der Eingangsschaltung der vorangehend genannten Zählerschaltung verbunden. Die Absolutwertschaltung ist für eine polaritätskonstante Spannungsquelle 30, wie beispielsweise ein Akkupack, Geeignet. Der Polaritätskorrektor 51 kann anstelle der analogen Schaltung, gezeigt in der 9, auch als digitale Schaltung aufgebaut sein, bei der das Polaritätsausgangsbit des bipolaren Analog/Digital-Eingangswandlers ignoriert wird.
Der Betrieb der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die 10 dargelegt werden. Die nachfolgende Beschreibung beruht auf der Annahme, dass sich jeder Schalter normalerweise im ausgeschalteten Zustand befindet.
10 ist ein Zeitdiagramm, das die Zeitfolge der Schaltvorgänge der entsprechenden Schalter in der Spannungsmessvorrichtung, gezeigt in der 8, darstellt.
Wie in der 10 gezeigt, wird der Kondensator 7 mit der Spannung der Spannungsquelle 31 aufgeladen, wenn die Schalter 41a und 42a in einer Periode P1 geschlossen sind. Anschließend wird die aufgeladene Spannung des Kondensators 7, und zwar die Spannung der Spannungsquelle 31, an die Bufferschaltung 5 übertragen, wenn die Schalter 4a und 4b eingeschaltet werden, nachdem die Schalter 41a und 42a ausgeschaltet werden. Die Schalter 41a bis 41c und 42a bis 42c sowie die Treiberschaltung der Spannungsmessvorrichtung sind selbstverständlich elektrisch gegeneinander isoliert. In der Spannungsmessvorrich tung der vorliegenden Ausführungsform wird die Spannung der Spannungsquelle 31 zur elektrisch isolierten Messung an die Bufferschaltung 5 übertragen, da die ersten und zweiten Multiplexer 41, 42 und die zweite Schalteinrichtung 4 nicht gleichzeitig eingeschaltet sind. In dieser Weise wird das Multiplexen in sequentieller Weise durchgeführt, indem nunmehr die Schalter 42a und 41b in einer Periode P2 arbeiten, wobei die Schalter 41b und 42b dann in einer Periode P3 arbeiten, etc.
Wie oben dargelegt, wird in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform die Spannung jeder einzelnen Spannungsquelle 31 bis 35 in der. gestapelten Spannungsquelle 30 unter Verwendung der ersten und zweiten Multiplexer 41 und 42 in sequentieller Weise in dem Kondensator 7 gespeichert. Demzufolge ist es in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform möglich, die Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung zum Durchführen der Messungen zu vereinfachen.
7. Ausführungsform
11 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. 12 ist ein Zeitdiagramm, das die Zeitfolge der Schaltvorgänge der entsprechenden Schalter in der Spannungsmessvorrichtung, gezeigt in der 11, darstellt. In dieser Ausführungsform wird in der Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung die Absolutwertschaltung durch Polaritätswendeschalter ersetzt, die in dem zweiten Schalter vorgesehen sind, um die Polaritätsauswahlfunktion für den zweiten Schalter bereitzustellen. Andere Elemente und Bereiche, die denen der sechsten Ausführungsform ähneln und demzufolge überschneidende Beschreibungen zu ähnlichen Punkten sind, werden weggelassen.
Wie in der 11 gezeigt, sind in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform die zweite Schalteinrichtung 4' mit den Polaritätswendeschaltern 4c und 4d sowie die Schalter 4a und 4b vorgesehen. Die Polaritätswendeschalter 4c und 4d arbeiten in einer Weise, die der des vorangehend genannten Polaritätskorrektors 51 ähneln und arbeiten so, dass sie für das Ausgangssignal der Bufferschaltung 5 stets die gleiche Spannungspolarität bereitstellen. Insbesondere werden die Schalter 4a, 4b und die Polaritätswendeschalter 4c, 4d, wie in der 12 gezeigt, in den Perioden alternierend eingeschaltet, wenn die entsprechenden Schalter 41a bis 41c und 42a bis 42c in den ersten und zweiten Multiplexern 41 und 42 eingeschaltet werden. In dieser Weise kann in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform die Spannungspolarität der detektierten Spannung zwischen den ungeradzahligen Spannungsquellen 31, 33 und 35 (8) und zwischen den geradzahligen Spannungsquellen 32 und 34 (8) angeglichen werden, wenn das Ausgangssignal von der Bufferschaltung 5 ausgegeben wird. Da auf die wie oben dargelegte Absolutwertschaltung, gezeigt in der 9, verzichtet werden kann, ist es möglich, die Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform gegenüber der Konfiguration der sechsten Ausführungsform zu vereinfachen.
8. Ausführungsform
13 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer achten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. 14 ist ein Zeitdiagramm, das die Zeitfolge der Schaltvorgänge der entsprechenden Schalter in der Spannungsmessvorrichtung, gezeigt in der 13, darstellt. In dieser Ausführungsform ist in der Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung die Absolutwertschaltung durch Polaritätswendeschalter ersetzt, die zwischen den ersten und zweiten Multiplexern und dem Kondensator angeordnet sind, und die so ausgelegt sind, dass sie zeitsynchronisiert mit den ersten und zweiten Multiplexern schalten. Andere Elemente und Bereiche, die denen der sechsten Ausführungsform ähneln und demzufolge überschneidende Beschreibungen zu ähnlichen Punkten sind, werden weggelassen.
Wie in der 13 gezeigt, sind in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform zwischen den ersten und zweiten Multiplexern 41 und 42 und dem Kondensator 7 die Schalter 9a, 9b, 9c und 9d zum Durchführen der Polaritätsauswahl vorgesehen. Die Schalter 9a und 9b arbeiten in einer Weise, die der des vorangehend genannten Polaritätskorrektors 51 ähneln und arbeiten so, dass sie für das Ausgangssignal der Bufferschaltung 5 stets die gleiche Spannungspolarität bereitstellen. Wie in der 14 gezeigt, werden die Schalter 9a, 9b und die Schalter 9c, 9d insbesondere zeitsynchronisiert mit den entsprechenden Schaltern 41a bis 41c und 42a bis 42c in den ersten und zweiten Multiplexern 41 und 42 geschaltet. In dieser Weise kann in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform die Spannungspolarität der detektierten Spannung zwischen den ungeradzahligen Spannungsquellen 31, 33 und 35 (8) und zwischen den geradzahligen Spannungsquellen 32 und 34 (8) angeglichen werden, wenn das Ausgangssignal von der Bufferschaltung 5 ausgegeben wird. Da auf die wie oben dargelegte Absolutwertschaltung, gezeigt in der 9, verzichtet werden kann, ist es möglich, die Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform gegenüber der Konfiguration der sechsten Ausführungsform zu vereinfachen.
Des Weiteren kann in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform der Gleichtaktfehler reduziert werden, der nachfolgend unter Bezugnahme auf die 17 im Detail dargelegt werden soll.
Außerdem kann die Spannung der polaritätsfesten Spannungsquelle 30 unter Verwendung des gepolten Kondensators 7 gemessen werden, da die Schalter 9a bis 9d an der Eingangsseite (Spannungsquellenseite) des Kondensators 7 vorgesehen sind.
9. Ausführungsform
15 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer neunten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. 16 ist ein Zeitdiagramm, das die Zeitfolge der Schaltvorgänge der entsprechenden Schalter in der Spannungsmessvorrichtung, gezeigt in der 15, darstellt. In dieser Ausführungsform ist in der Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung ein Schalter zwischen den ersten und zweiten Multiplexern und dem Kondensator vorgesehen, der so ausgelegt ist, dass er zeitsynchronisiert mit den ersten und zweiten Multiplexern schaltet. Andere Elemente und Bereiche, die denen der sechsten Ausführungsform ähneln und demzufolge überschneidende Beschreibungen zu ähnlichen Punkten sind, werden weggelassen.
Wie in der 15 gezeigt, ist in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform der Schalter 9a vorgesehen, der zwischen dem Kondensator 7 und den ersten und zweiten Multiplexern 41 und 42 verbunden ist. Wie in der 16 gezeigt, schaltet der Schalter 9a zeitsynchronisiert mit jedem Schalter 41a bis 41c und 42a bis 42c in den ersten und zweiten Multiplexern 41 und 42.
Die mit der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Erfindung erzielte Wirkung soll nachfolgend unter Bezugnahme auf die 17 dargelegt werden.
17 ist ein erläuterndes Diagramm, das einen Gleichtaktfehler zeigt, der während der Spannungsmessung der gestapelten Spannungsquelle auftritt.
In der 17 weist die Spannungsquelle 30 (an der Nullspannung, gezeigt in der gleichen Figur) eine Gleichtaktspannung En in Bezug auf das Referenzpotential (das Erdpotential, gezeigt in der gleichen Figur) der Bufferschaltung 5 auf. In dem in der gleichen Figur gezeigten Zustand wird die Anschlussspannung des Kondensators 7 während der Schaltvorgänge der ersten und zweiten Multiplexer 41 und 42 auf null Volt gesetzt, wobei die zweite Schalteinrichtung 4 eingeschaltet wird, nachdem die ersten und zweiten Multiplexer 41 und 42 ausgeschaltet werden. Ein sich im eingeschalteten Zustand befindendes Halbleiterschaltelement mit geringem Widerstand weist im ausgeschalteten Zustand eine relativ große parasitäre Kapazität auf, wie in der gleichen Figur gezeigt, wobei die Schalter 41a bis 41c und 42a bis 42c im ausgeschalteten Zustand jeweils durch einen Kondensator ersetzt werden können, während die Schalter 4a und 4b im eingeschalteten Zustand durch einen Widerstand ausgeschaltet werden können. Unmittelbar bevor die zweite Schalteinrichtung 4 eingeschaltet wird, nehmen die Potentiale an beiden Anschlüssen des Kondensators 7 den Wert von En an, wobei die im ausgeschalteten Zustand jedes Schalters 41a bis 41c und 42a bis 42c in der Kapazität gespeicherte Ladung null beträgt. Wenn die zweite Schalteinrichtung 4 anschließend eingeschaltet wird, ändern sich die Potentiale an beiden Anschlüssen des Kondensators 7 derart, dass sie sich in Richtung des Erdpotentials bewegen. Indem diese Änderung vollzogen wird, treten zusammen mit der Bewegung der Ladung der im ausgeschalteten Zustand jedes Schalters 41a bis 41c und 42a bis 42c vorliegenden Kapazitäten die Leckströme Ia und Ib auf. Die Leckströme Ia und Ib sind zueinander symmetrisch und weisen den gleichen Wert auf.
In der Bufferschaltung 5, gezeigt in der 17, sind die Strompfade jedoch nicht symmetrisch zueinander und der Leckstrom Ia ist über den Kondensator 7 mit dem Erdpotential verbunden. Dabei wird in dem Kondensator 7 eine Offsetspannung erzeugt, die einen Faktor darstellt, aufgrund dessen ein Messfehler verursacht wird. Dieser Gleichtaktfehler stellt das Problem dar, das nicht nur aufgrund externer Störungen entsteht, mit denen die isolierte Spannungsquelle 30 beaufschlagt werden, sondern das auch aufgrund der inhärenten Differenz in dem Potential zwischen den entsprechenden in Reihe geschalteten Spannungsquellen entsteht. In einer Konfiguration, die ausgelegt ist, eine große Anzahl von Spannungsquellen zu messen, wird das Problem insbesondere durch die große Anzahl von vorliegenden parallelen Kapazitäten der ausgeschalteten Schalter, die die ersten und zweiten Multiplexer bilden, verstärkt.
Demgegenüber wird in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform, genauso wie in der dritten Ausführungsform, die im ausgeschalteten Zustand des Schalters 9a vorliegende Kapazität in Reihe zu der Kapazität des Kondensators 7 hinzugeschaltet, wodurch die im ausgeschalteten Zustand vorliegende Gesamtkapazität reduziert wird, so dass es möglich ist, den Gleichtaktfehler zu reduzieren. Insbesondere dann, wenn die Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform für die 24 Module (Akkupack) verwendet wird, gezeigt in der ersten herkömmlichen Vorrichtung, werden die im ausgeschalteten Zustand der 13 Schalter vorliegenden parallelen Kapazitäten im ersten Multiplexer 41 in Reihe zu der im ausgeschalteten Zustand des Schalters 9a vorliegenden Kapazität hinzugeschaltet. Folglich kann durch Verwenden der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform der Gleichtaktfehler um einen Faktor von ungefähr 13 reduziert werden.
10. Ausführungsform
18 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer zehnten Ausführungsform der vorliegenden Ausführungsform darstellt. In dieser Ausführungsform sind in der Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung die ersten und zweiten Multiplexer jeweils mit beiden Enden eines Kondensators, umfassend eine Vielzahl von Kondensatorelementen, verbunden, wobei ein Zwischenverbindungspunkt des Kondensators über einen dritten Schalter geerdet ist. Anstelle der Bufferschaltung ist ein Differenzverstärker mit der zweiten Schalteinrichtung verbunden, wodurch der Gleichtaktfehler weiterhin reduziert werden kann. Andere Elemente und Bereiche, die denen der sechsten Ausführungsform ähneln und demzufolge überschneidende Beschreibungen zu ähnlichen Punkten sind, werden weggelassen.
Wie in der 18 gezeigt, sind in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform die Ausgangsanschlüsse der ersten und zweiten Multiplexer 41 und 42 mit dem Kondensator 3, umfassend zwei in Reihe geschaltete Kondensatorelemente 3a und 3b, verbunden. Der Zwischenverbindungspunkt TO des Kondensators 3 ist, genauso wie in der ersten Ausführungsform, über den dritten Schalter 8 mit dem Erdpotential verbunden. Außerdem ist der Differenzverstärker 6, der als Differenzeingangsbufferschaltung ausgelegt ist, mit der zweiten Schalteinrichtung 4 verbunden.
Mit der oben dargelegten Konfiguration durchlaufen in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform die unter Bezugnahme auf die 1 erläuterten Leckströme Ia und Ib die entsprechenden Kondensatorelemente 3a und 3b und sind über den dritten Schalter 8 mit dem Erdpotential verbunden. Demzufolge heben sich in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform, genauso wie in der ersten Ausfüh rungsform, die Offsetspannungen infolge der Leckströme Ia und Ib durch die Differenzeigenschaft des Differenzverstärkers 6 gegenseitig auf, so dass kein Gleichtaktfehler auftritt.
11. Ausführungsform
19 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer elften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform ist in der Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung zwischen den ersten und zweiten Multiplexern und dem Kondensator ein Schalterpaar vorgesehen, das zeitsynchronisiert mit den ersten und zweiten Multiplexern schaltet. Andere Elemente und Bereiche, die denen der zehnten Ausführungsform ähneln und demzufolge überschneidende Beschreibungen zu ähnlichen Punkten sind, werden weggelassen.
Wie in der 19 gezeigt, ist in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform ein Schalter 9a vorgesehen, der zwischen dem ersten Multiplexer 41 und dem Kondensatorelement 3a verbunden ist, wobei ein Schalter 9b zwischen dem zweiten Multiplexer 42 und dem Kondensatorelement 3b verbunden ist. Die Schalter 9a und 9b arbeiten gegenseitig sperrend und schalten zeitsynchronisiert mit den Schaltern 41a bis 41c und 42a bis 42c in den ersten und zweiten Multiplexern, wie durch 9a in der 16 gezeigt. Mit dieser Konfiguration ist es in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform möglich, den Gleichtaktfehler gegenüber der Vorrichtung der zehnten Ausführungsform zu verringern. Der Grund dafür besteht darin, dass in der Konfiguration der zehnten Ausführungsform, gezeigt in der 18, die Schaltungssymmetrie durch die Symmetrie zwischen den im ausgeschalteten Zustand der ersten und zweiten Multiplexer 41 und 42 vorliegenden Kapazitäten und den Kapazitäten der Kondensatorelemente 3a und 3b definiert ist, wobei jedoch ein Kompensationsfehler aufgrund von Bauteiltoleranzen auftritt. Um diesen Kompensationsfehler zu reduzieren ist es vorteilhaft, die Leckströme zu reduzieren, die den Fehler ausgehend von der Schaltungskonfiguration verursachen, anstatt die Genauigkeit der Bauteile an sich zu erhöhen.
Dementsprechend kann in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform durch Bereitstellen der Schalter 9a und 9b eine ähnliche Wirkung erzielt werden, wie die Wirkung die durch den Schalter 9a in der neunten Ausführungsform erzielt wird, und die dazu dient, den Gleichtaktfehler gegenüber der zehnten Ausführungsform zu reduzieren.
12. Ausführungsform
20 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer zwölften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform sind in der Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung ein widerstandsbasierter Spannungsteiler zum Aufteilen der Spannung, die zwischen beide Enden der Spannungsquelle auftritt, und ein Multiplexer zum Aufnehmen einer Ausgangsspannung des Spannungsteilers vorgesehen. Außerdem ist zwischen der Spannungsquelle und dem Spannungsteiler ein Schalter angeordnet. Andere Elemente und Bereiche, die denen der sechsten Ausführungsform ähneln und demzufolge überschneidende Beschreibungen zu ähnlichen Punkten sind, werden weggelassen.
Wie in der 20 gezeigt, ist die Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform so konfiguriert, dass die Spannung zwischen beiden Enden der Reihenschaltung der Spannungsquellen 31 bis 35 über den Schalter 52 an den Widerstandsspannungsteiler 53 ausgegeben wird, und so dass das Multiplexen unter Verwendung des Schalters 54 und des Schalters 42c durchgeführt wird. In der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform wird durch Festlegen des Aufteilungsverhältnisses des Widerstandsspannungsteilers 53 mit N:1 der Ausgang der Bufferschaltung 5 für den Messbereich optimiert. Außerdem kann dann, wenn keine Spannungsmessungen durchgeführt werden, durch Ausschalten des Schalters 52 Strom gespart werden.
13. Ausführungsform
21 ist ein Schaltbild, das eine Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung in einer dreizehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform ist in der Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung ein Widerstand zwischen dem ersten Multiplexer und dem Kondensator verbunden. Andere Elemente und Bereiche, die denen der sechsten Ausführungsform ähneln und demzufolge überschneidende Beschreibungen zu ähnlichen Punkten sind, werden weggelassen.
Wie in der 21 gezeigt, umfasst die Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform den Widerstand 55, der zwischen dem ersten Multiplexer 41 und dem Kondensator 7 angeordnet ist. Mit dieser Konfiguration kann die Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform Spannungsmessungen durch Verringern der Wirkung von externen hochfrequenten Rauschen durchführen. Der größte Anteil der Last der Spannungsquelle wird insbesondere durch eine Invertervorrichtung ausgemacht, die einen Motor oder eine Beleuchtungseinrichtung betreibt. Dieses Invertersystem produziert verteiltes mehrphasiges steilflankiges Pulsrauschen von mehreren Kilohertz oder mehr, wobei das Impulsrauschen durch den Ladestrom in der durch die Spannungsmessvorrichtung gemessenen Spannung auftritt. Wenn die das Impulsrauschen enthaltene Spannung erfasst wird und über den ersten und zweiten Multiplexer 41 und 42 in dem Kondensator aufgenommen wird, wird die Genauigkeit der Spannungsmessung in geringem Maße herabgesetzt.
Dahingegen fügt in der Spannungsmessvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform der Widerstand 55 dem Kondensator 7 eine Zeitkonstante hinzu, wodurch die hochfrequente Ansprechrate reduziert wird. Der Widerstand ist an einer beliebigen Position an der Spannungsquelle des Kondensators 7 anordenbar, wobei die Anzahl der verwendeten Widerstände dann verringert werden kann, wenn der Widerstand zwischen dem ersten Multiplexer 41 und dem Kondensator 7 angeordnet wird. In dem Fall, wenn die Schaltung symmetrisch ausgelegt ist, sollte ein zusätzlicher Widerstand mit dem gleichen Widerstandswert zwischen dem zweiten Multiplexer 42 und dem Kondensator 7 angeordnet sein.
14. Ausführungsform
22 ist ein Schaltbild, das im Detail die Konfiguration eines Schalters in einer Spannungsmessvorrichtung in einer vierzehnten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In dieser Ausführungsform ist in der Konfiguration der Spannungsmessvorrichtung jeder Schalter unter Verwendung einer Halbleiterrelaiseinrichtung gefertigt, die das Gate eines MOS-Transistors in optisch isolierter Weise betreibt. Andere Elemente und Bereiche, die denen der vorangehend genannten Ausführungsform ähneln und demzufolge überschneidende Beschreibungen zu ähnlichen Punkten sind, werden weggelassen.
In der 22 ist der Schalter als Halbleiterrelaiseinrichtung zum Betrieb der Gates von zwei MOS-Transistoren in optisch isolierter Weise ausgelegt, wobei der Schalter insbesondere als bidirektionaler Schalter ausgelegt ist, in dem eine photoelektrische Einrichtung 57 durch Licht von einer zwischen den Anschlüssen TA und TB verbundenen LED 56 betrieben wird. Dieser Schalter wird mit den in der Schaltung verbundenen Anschlüssen TA und TB beispielsweise anstelle des Schalters 2a, gezeigt in der 1, verwendet.
Die Treiberschaltung (nicht gezeigt), die die LED 56 veranlasst, Licht zu emittieren, ist mit den Anschlüssen TC und TD verbunden. Spezielle Beispiele für die oben dargelegten Haibleiterrelaiseinrichtungen sind in der US-Patentanmeldung Num er 4, 564, 770 offenbart.
Derartige optisch isolierte Treiberschalter stellen eine ausgezeichnete Isolation gegenüber dem Eingangsanschluss bereit und liefern ausgezeichnete Schalteigenschaften, wie beispielsweise hohe Spannungsfestigkeit im ausgeschalteten Zustand und geringen Widerstand im eingeschalteten Zustand, wobei es möglich ist, die entsprechenden Nachteile, zum Beispiel Gleichtaktfehler infolge der im ausgeschalteten Zustand vorliegenden hohen Kapazitäten, unter Verwendung der in jeder vorangehenden Ausführungsform dargestellten Konfiguration zu überwinden. Dementsprechend kann eine äußerst praktische Spannungsmessvorrichtung in einfacher Weise gefertigt werden, wenn der in der 22 gezeigte Schalter für jeden in der Ausführungsform 1 bis 14 gezeigten Schalter eingesetzt wird.
Industrielles Verwertungspotential
Die vorliegende Erfindung ist für eine Spannungsmessvorrichtung unter Verwendung eines Schaltkondensatorverfahrens vorgesehen, um eine elektrische Isolation gegenüber einem zu messenden elektrischen Gerät sicher zu stellen, und um die Spannung des elektrischen Geräts in elektrisch isolierter Weise zu messen. Dabei ist die erfindungsgemäße Spannungsmessvorrichtung vorteilhaft zur Verwendung in einer Überwachungsvorrichtung in einem elektrischen System zum Durchführen von Spannungsmessungen geeignet.

Claims

Spannungsmessvorrichtung, umfassend: N + 1 Spannungsdetektionsanschlüsse (T1–T6), die mit N in Reihe miteinander verbundenen Spannungsquellen verbindbar sind, wobei N eine ganze Zahl ist; einen Kondensator (7); dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmessvorrichtung des Weiteren umfasst: einen ersten Multiplexer (41) zum wahlweisen Verbinden der ungeradzahlig Nummerierten der Spannungsdetektionsanschlüsse (T1, T3, T5) mit einem Anschluss des Kondensators (7); einen zweiten Multiplexer (42) zum wahlweisen Verbinden der geradzahlig Nummerierten der Spannungsdetektionanschlüsse (T2, T4, T6) mit dem anderen Anschluss des Kondensators (7); eine Dämpfungsschaltung (5); eine zweite Schalteinrichtung (4) zum Verbinden beider Anschlüsse des Kondensators (7) mit der Dämpfungsschaltung (5); und einen Polaritätskorrektor (51), um Spannungen der ungeradzahlig Nummerierten der Spannungsquellen (30) hinsichtlich der Polarität den Spannungen der geradzahlig Nummerierten der Spannungsquellen (30) anzugleichen.
Spannungsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Polaritätskorrektor (51) aus einer Absolutwertschaltung aufgebaut ist.
Spannungsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Polaritätskorrektor (51) durch Versehen der zweiten Schalteinrichtung (4) mit einer Polaritätsauswahlfunktion aufgebaut ist.
Spannungsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Polaritätskorrektor (51) aus einem Polaritätsauswahlschalter (9a, 9b, 9c, 9d) aufgebaut ist, der zwischen dem Kondensator (7) und den Multiplexern (41, 42) angeordnet ist und der zeitsynchronisiert mit den Multiplexern (41, 42) schaltet.
Spannungsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Schalter (9a), der zeitsynchronisiert mit den Multiplexern (41, 42) schaltet, zwischen dem Kondensator (7) und den Multiplexern (41, 42) vorgesehen ist.
Spannungsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kondensator (3) aus einer Vielzahl von Kondensatorelementen (3a, 3b) aufgebaut ist, die an einem Verbindungspunkt zwischen zwei Abschnitten der gleichen Kapazitanz getrennt sind, und die Spannungsmessvorrichtung des Weiteren einen Differenzialverstärker (6), der mit der zweiten Schalteinrichtung (4) verbunden ist, und ein dritter Schalter (8) zum Verbinden des Verbindungspunkts in dem Kondensator (3) mit dem Signalreferenzpotenial des Differenzialverstärkes (6) zeitsynchronisiert mit der zweiten Schalteinrichtung (4) umfasst.
Spannungsmessvorrichtung nach Anspruch 6, wobei ein Paar von Schaltern (9a, 9b), die zeitsynchronisiert mit den Multiplexern (41, 42) schalten, zwischen dem Kondensator (3) und den Multiplexern (41, 42) vorgesehen ist.
Spannungsmessvorrichtung nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend einen Spannungsteiler (53) zur widerstandsbedingten Teilung der Spannungen, die an beiden Enden der Reihenverknüpfung der N Spannungsquellen (30) auftreten und einen Multiplexer (52, 54), um darin eine Ausgangsspannung des Spannungsteilers (53) zu nehmen.
Spannungsmessvorrichtung nach Anspruch 8, wobei ein Schalter (52) zwischen den Spannungsquellen (30) und dem Spannungsteiler (53) vorgesehen ist.
Spannungsmessvorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Widerstand (55) zwischen dem Kondensator (7) und den Multiplexern (41, 42) vorgesehen ist.