WO2006047972A1

WO2006047972A1 - Schaltungsanordnung und verfahren zum automatischen ermitteln des ladezustandes einer gleichspannungsquelle

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Publication number: WO2006047972A1
Application number: PCT/DE2004/002418
Authority: WO
Inventors: Frank Diekmann
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2004-11-02
Filing date: 2004-11-02
Publication date: 2006-05-11
Also published as: DE112004003041A5

Abstract

Erläutert wird unter anderem eine Schaltungsanordnung (10), die eine Entkopplungseinheit (18) zwischen einer Gleichspannungsquelle (14) und einem Verbraucher (12) enthält. Die Schaltungsanordnung (10) enthält ausserdem einen Erfassungsstromzweig (40) mit einer Erfassungsschalteinheit (56). Die Entkopplungseinheit (18) und die Erfassungsschalteinheit (56) werden wechselweise angesteuert, wodurch das Erfassen des Ladezustandes der Gleichspannungsquelle auf einfache Art und bei angeschlossenem Verbraucher möglich ist.

Description

Beschreibung

Schaltungsanordnung und Verfahren zum automatischen Ermitteln des Ladezustandes einer Gleichspannungsquelle

Die Erfindung betrifft unter anderem eine Schaltungsanord¬ nung, die eine Gleichspannungsquelle enthält. Außerdem ent¬ hält die Schaltungsanordnung einen Verbraucher, der von der Gleichspannungsquelle gespeist wird, insbesondere von einer netzunabhängigen Gleichspannungsquelle.

Als netzunabhängige Gleichspannungsquelle werden insbesondere wiederaufladbare Quellen oder nicht-wiederaufladbare Quellen eingesetzt, d.h. Akkumulatoren oder Batterien. Der Verbrau- eher ist beispielsweise eine Teilnehmeranschlusseinheit zum Anschluss einer Vielzahl von Teilnehmern eines Telekommunika¬ tionsnetzes. Eine andere Art von Verbrauchern sind Mobilfunk¬ geräte bzw. sogenannte Handys. Einerseits kann die Verbrau¬ cherlast während der Speisung aus der Gleichspannungsquelle variieren. Andererseits kann die Verbraucherlast vom Konfigu¬ rationszustand abhängen, beispielsweise wenn mehr oder weni¬ ger Teilnehmerschaltungen in der Teilnehmeranschlusseinheit gesteckt sind.

Insbesondere bei netzunabhängigen Gleichspannungsquellen bzw. bei Notspannungsquellen muss der Ladezustand der Gleichspan¬ nungsquelle erfasst werden, um gegebenenfalls den Verbraucher automatisch abzuschalten bzw. das Wechseln oder Nachladen der Gleichspannungsquelle zu veranlassen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine einfach aufgebaute Schal¬ tungsanordnung anzugeben, die das Ermitteln des Ladezustandes der Gleichspannungsquelle ermöglicht , insbesondere bei unun¬ terbrochener Spannungsversorgung des Verbrauchers und die insbesondere unverändert für Verbraucher mit voneinander ver¬ schiedenen Lastwiderständen bzw . mit sich während des Be¬ triebs des Verbrauchers stark verändernden Lastwiderständen eingesetzt werden kann . Außerdem soll ein Verfahren zum Er¬ mitteln des Ladezustandes einer Gleichspannungsquelle angege¬ ben werden .

Die auf die Schaltungsanordnung bezogene Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den im Patentanspruch 1 angege¬ benen Merkmalen gelöst . Weiterbildungen sind in den Unteran¬ sprüchen angegeben .

Die Erfindung geht einerseits von der Überlegung aus , dass bei einem an die Gleichspannungsquelle angeschlossenen Verbraucher das Ermitteln des Ladezustandes der Gleichspan¬ nungsquelle unnötig erschwert ist . Andererseits geht die Er¬ findung aber auch von der Überlegung aus , dass bei von der Gleichspannungsquelle abgetrenntem Verbraucher eine Span¬ nungsversorgung für den Verbraucher mit einfachen Mitteln ge¬ währleistet werden kann, wenn das Abtrennen nur für eine kur¬ ze Zeit erfolgt .

Deshalb enthält die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zu¬ sätzlich zu den eingangs genannten Elementen : eine Entkopplungseinheit , die zwei Arbeitsstreckenan¬ schlüsse enthält, und die abhängig von einem elektrischen Steuersignal an einem Steueranschluss der Entkopplungs- einheit eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen ihren Arbeitsstreckenanschlüssen herstellt oder trennt, eine im Verbraucher angeordnete oder parallel zum Verbraucher geschaltete Spannungsstabilisierungseinheit, die einem kurzzeitigen Spannungsabfall im Verbraucher entgegenwirkt , eine Erfassungsschalteinheit , die zwei Arbeitsstreckenan¬ schlüsse enthält und die abhängig von einem elektrischen Steuersignal an einem Steueranschluss der Erfassungs¬ schalteinheit eine elektrisch leitfähige Verbindung zwi- sehen ihren Arbeitsstreckenanschlüssen herstellt oder trennt , eine Steuereinheit, die das Steuersignal für den Steuer- anschluss der Entkopplungseinheit erzeugt und die das Steuersignal für den Steueranschluss der Erfassungs¬ schalteinheit erzeugt, und - eine Auswerteeinheit, die abhängig vom Ausgangssignal der Erfassungseinheit ein Ergebnissignal oder ein Ergebnisda¬ tum erzeugt, das ein Maß für den Ladezustand der Gleich¬ spannungsquelle ist.

Die Entkopplungseinheit ermöglicht ein kurzzeitiges Abtrennen des Verbrauchers von der Gleichspannungsquelle, so dass ei¬ nerseits ein Verfälschen einer Messung bzw. eines Erfassens des Ladezustandes vermindert wird oder ausgeschlossen ist. Andererseits tritt durch das Erfassen des Ladezustandes auch keine den Verbraucher beeinträchtigende Rückwirkung auf. Die Erfassungsschalteinheit ermöglicht ebenfalls das kurzzeitige Erfassen des Ladezustandes. Die Spannungsstabilisierungsein- heit gewährleistet, dass die Spannung am Verbraucher während des kurzzeitigen Erfassens des Ladezustandes nicht unterbro- chen wird, insbesondere verringert sich die Spannung am Verbraucher um weniger als 3 Prozent oder um weniger als 10 Prozent.

Als Entkopplungseinheit und als Erfassungsschalteinheit wer- den beispielsweise Relais, Transistoren usw. eingesetzt. Die Spannungsstabilisierungseinheit ist beispielsweise eine zu¬ sätzliche Hilfsbatterie, ein zusätzlicher Hilfsakkumulator oder ein Kondensator, insbesondere ein Elektrolytkondensator. Einfache Erfassungseinheiten sind Messwiderstände mit einem genauer vorgegebenen ohmschen Widerstand und gegebenenfalls mit Kühlung. Jedoch werden auch andere Erfassungseinheiten eingesetzt, beispielsweise eine berührungslose Erfassung ei¬ nes Stroms mit Hilfe einer Messung des elektromagnetischen Feldes um einen Leiter herum.

Als Steuereinheit und Auswerteeinheit wird insbesondere ein Prozessor eingesetzt, der in einem Speicher gespeicherte Pro- grammbefehle ausführt und dabei den Ladezustand ermittelt. Alternativ enthalten die Steuereinheit und die Auswerteein¬ heit jedoch keinen Prozessor.

In der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung gibt es einen Verbraucherstromzweig, der in Reihenschaltung den Verbraucher und die Entkopplungseinheit enthält. Im Verbraucherstromzweig ist weder die Erfassungsschalteinheit noch die Erfassungsein¬ heit angeordnet. Die Erfassungsschalteinheit ist in einem Er- fassungsstromzweig angeordnet, der vom Verbraucherstromzweig verschieden ist, d.h. der insbesondere nicht den Verbraucher und die Entkopplungseinheit enthält.

Bei einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung ist die Steu- ereinheit so aufgebaut, dass sie beim Umschalten in eine

Verbraucherbetriebsart das Herstellen einer elektrisch leit¬ fähigen Verbindung in der Entkopplungseinheit und das Trennen einer elektrisch leitfähigen Verbindung in der Erfassungs¬ schalteinheit veranlasst. Beim Umschalten von der Verbrau- cherbetriebsart in eine Erfassungsbetriebsart veranlasst die Steuereinheit dagegen das Trennen der elektrisch leitfähigen Verbindung in der Entkopplungseinheit und das Herstellen der elektrisch leitfähigen Verbindung in der Erfassungsschaltein¬ heit. Die Umschaltvorgänge bezüglich der Entkopplungseinheit und der Erfassungsschalteinheit werden bei einer Ausgestal¬ tung gleichzeitig durchgeführt, so dass die Steuersignale auf einfache Art erzeugt werden können. Bei einer anderen Ausges¬ taltung werden die Umschaltvorgänge bezüglich der Entkopp¬ lungseinheit beim Umschalten in die Verbraucherbetriebsart nach dem Umschalten bezüglich der Erfassungsschalteinheit und beim Umschalten in die Erfassungsbetriebsart vor dem Umschal¬ ten bezüglich der Erfassungsschalteinheit durchgeführt.

Bei einer nächsten Weiterbildung ist die Steuereinheit so aufgebaut, dass sie das Umschalten von der Verbraucherbe¬ triebsart in die Erfassungsbetriebsart periodisch veranlasst, vorzugsweise mit einer Periodendauer im Bereich von 30 Sekun- den bis 20 Minuten. Besonders bevorzugt sind Periodendauern im Bereich von 30 Sekunden bis 3 Minuten. Die Periodendauer ist ein Kompromiss zwischen der Belastung der Gleichspan¬ nungsquelle durch das Erfassen des Ladezustandes und einer möglichst zeitnahen Erfassung des Ladezustandes.

Bei einer nächsten Weiterbildung ist die Steuereinheit so aufgebaut, dass sie das Trennen der elektrisch leitfähigen Verbindung in der Entkopplungseinheit für ein Intervall im Bereich von 10 Millisekunden bis zu 1 Sekunde veranlasst. Be¬ vorzugt ist das Intervall kleiner als 100 Millisekunden, so dass die Spannungsstabilisierungseinheit die Spannung nur für einen kurzen Zeitraum stabilisieren muss und somit einfach aufgebaut sein kann.

Bei einer nächsten Weiterbildung enthält die Erfassungsein¬ heit eine Abtastschaltung, die in der Erfassungsbetriebsart einen Erfassungswert erfasst und auch nach dem Beenden der Erfassungsbetriebsart speichert. Die Abtastschaltung wird auch als Sample-and-Hold-Schaltung bezeichnet. Durch die Ver¬ wendung einer Abtastschaltung lässt sich das Intervall, in dem die elektrisch leitfähige Verbindung in der Entkopplungs¬ einheit getrennt ist, weiter verkürzen, auch wenn zum Umwan¬ deln des Erfassungswertes bzw. zum Bearbeiten des Erfassungs- wertes eine längere Zeit erforderlich ist.

Bei einer nächsten Weiterbildung enthält die Erfassungsein¬ heit einen Erfassungswiderstand. An dem Erfassungswiderstand wird eine Spannung abgegriffen, so dass sich der Ladezustand auf einfache Art erfassen lässt. Insbesondere lässt sich aus der abgegriffenen Spannung und dem Wert des Erfassungswider¬ standes auch ein Messstrom berechnen. Bei einer Ausgestaltung ist der ohmsche Widerstand des Messwiderstandes gleich dem ohmschen Lastwiderstand des Verbrauchers, um den Ladezustand möglichst genau zu erfassen. Eine hinreichend genaue Erfas¬ sung des Ladezustandes lässt sich aber auch erreichen, wenn der ohmsche Widerstand des Messwiderstandes um weniger als 50 Prozent vom ohmschen Lasterwiderstand es Verbrauchers ab¬ weicht. Beispielsweise wird für mehrere erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen ein Messwiderstand gewählt, der dem Mittelwert der Lastwiderstände der Verbraucher in diesen Schaltungsanordnungen entspricht bzw. von diesem Mittelwert nur um weniger als 5 Prozent abweicht. Dabei liegen die Last¬ widerstände der verschiedenen Schaltungsanordnungen bei¬ spielsweise um mehr als 20 Prozent bezogen auf den größten Lastwiderstand auseinander.

Bei einer alternativen Schaltungsanordnung wird eine Diode an Stelle der steuerbaren Entkopplungseinheit als Entkopplungs¬ einheit genutzt . Die Diode ermöglicht einen Stromfluss von der Gleichspannungsquelle zu dem Verbraucher und sperrt einen Stromfluss in umgekehrter Richtung . Damit hat die Diode eine ähnliche technische Wirkung wie die steuerbare Entkopplungs¬ einheit bereits aufgrund ihres Aufbaus .

Bei einer Weiterbildung der Schaltungsanordnung mit Diode enthält die Erfassungseinheit einen Erfassungswiderstand, an dem eine Spannung abgegriffen wird . Der Erfassungswiderstand ist vorzugsweise in dem Erfassungszweig angeordnet, um eine einfache Erfassung des Ladezustandes der Gleichspannungsquel¬ le zu ermöglichen .

Bei einer nächsten Weiterbildung der Schaltungsanordnung mit Diode ist der Erfassungswiderstand um einen solchen Faktor größer als der Innenwiderstand der Gleichspannungsquelle, der im Bereich von 5 bis 20 liegt, um Beschädigungen der Gleich- Spannungsquelle beim Erfassen des Ladezustandes auszuschlie¬ ßen. Andererseits ist der Erfassungswiderstand aber erheblich kleiner als der Lastwiderstand, um den Einfluss der Last auf das Erfassen des Ladezustandes zu verringern. Bei einer Aus¬ gestaltung ist der Erfassungswiderstand kleiner als 1/3 oder kleiner als 1/5 des Lastwiderstands des Verbrauchers. Bei einer nächsten Weiterbildung der Schaltungsanordnung mit steuerbarer Entkopplungseinheit oder mit Diode enthält die Schaltungsanordnung einen Analog/Digital-Wandler, so dass ei¬ ne Ermittlung des Ladezustandes der Batterie m±t Hilfe eines Prozessors durchgeführt werden kann. Der Prozessor berechnet aus der mit der Erfassungseinheit erfassten Spannung bzw. aus einem mit der Erfassungseinheit erfassten Strom den Ladezu¬ stand der Gleichspannungsquelle. Der Ladezustand lässt sich beispielsweise durch Vergleich mit einem Referenzwert ermit- teln, der bei einer voll aufgeladenen Gleichspsnnungsquelle ermittelt worden ist. Andererseits lässt sich bei der Ermitt¬ lung des Ladezustandes auch eine Kennlinie nutzen, die für die Gleichspannungsquelle zuvor aufgenommen worden ist. Be¬ sonders genau lässt sich der Ladezustand auch ermitteln, wenn mehrere aufeinanderfolgende Werte bei der Ermittlung des La¬ dezustandes berücksichtigt werden.

Bei einer nächsten Weiterbildung ist der Verbraucher eine op¬ tische Netzwerkeinheit mit einer Vielzahl von clrahtgebundenen Teilnehmeranschlüssen und mit einer optischen Übertragungs¬ strecke zu einem Datenübertragungsnetz hin. Ein solcher Verbraucher wird auch als ONU (Optical Network Unit) bezeich¬ net und beispielsweise von der Firma Siemens A.G vertrieben. Die Gleichspannungsquelle wird bei einer Ausgestaltung als Notspannungsquelle für die in einer Normalbetriebsart über ein Stromnetz gespeiste Netzwerkeinheit eingesetzt.

Bei einer nächsten Weiterbildung enthält die Schaltungsanord¬ nung eine Kommunikationseinheit zu einem Daterxübertragungs- netz hin oder zu einem Telekommunikationsnetz hin. Über die

Kommunikationseinheit werden abhängig von dem ermittelten La¬ dezustand Meldungen bezüglich des Ladezustandes an eine zent¬ rale Rechnereinheit gesendet. Beispielsweise werden Alarmmel¬ dungen beim Überschreiten bestimmter Schwellwerte und vor dem Abschalten des Verbrauchers gesendet. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum automati¬ schen Ermitteln des Ladezustandes einer Gleichspannungsquelle mit dem ohne Beschränkung durch die Reihenfolge der Auflis¬ tung ausgeführten Schritten: - Entkoppeln eines Verbrauchers von der Gleichspannumgs- quelle,

Schließen eines Erfassungsstromkreises, der die Gleich¬ spannungsquelle enthält, nach dem Entkoppeln, Erfassen einer Spannung oder eines Stroms in dem Erfas- sungsstromzweig nach dem Schließen des Erfassungsstrom¬ zweiges,

Öffnen des Erfassungsstromzweiges nach dem Erfassen, und Anschließen des Verbrauchers an die Gleichspannungsquelle nach dem Öffnen des Erfassungsstromkreises bzw. beim Öff- nen des Erfassungsstromzweiges.

Für das erfindungsgemäße Verfahren gelten die oben füir die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und deren Weiterlbildun- gen angegebenen technischen Wirkungen ebenfalls.

Bei einer Weiterbildung des Verfahrens wird während des Ent¬ koppeins die aktuelle Betriebsspannung des Verbrauche rs mit Hilfe einer Puffereinheit gepuffert, beispielsweise ebenfalls mit Hilfe einer Gleichspannungsquelle, die jedoch erhteblich kleiner dimensioniert werden kann als die Hauptgleichtspan- nungsquelle.

Bei einer nächsten Weiterbildung des Verfahrens werden die Schritte periodisch ausgeführt, insbesondere mit einer Perio- dendauer im Bereich von 30 Sekunden bis 3 Minuten. Bei einer anderen Weiterbildung liegt die Zeitdauer für das Entkoppeln in einem Bereich von 10 Millisekunden bis zu einer Sekunde, so dass beispielsweise an die Puffereinheit geringe Anforde¬ rungen gestellt werden.

Im Folgenden wird die Erfindung an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen: Figur 1 einen Stromlaufplan einer Notspannungsversorgungs- anordnung, und

Figur 2 Steuersignalverläufe an einer Entkopplungseinheit und an einer Erfassungsschalteinheit.

Figur 1 zeigt eine Notspannungsversorgungsanordnung 10 eines Verbrauchers, z.B. einer Teilnehmeranschlusseinheit 12, die die Schnittstelle zwischen einer bspw. optischen Übertra- gungsstrecke zu einem Datenübertragungsnetz und zu drahtge¬ bundenen Teilnehmeranschlüssen bildet. In einer Normalbe¬ triebsart wird die Teilnehmeranschlusseinheit 12 über ein Stromversorgungsnetz gespeist. Nur in einer Notbetriebsart erfolgt die Speisung über eine Batterie 14.

Die Schaltungsanordnung 10 enthält: eine Messeinheit 16,

- eine Entkopplungseinheit 18, beispielsweise ein Relais,

- eine Steuereinheit 20, beispielsweise einen Rechner, der auf einer zur Messeinheit 16 führenden Steuerleitung 22 und auf einer zu der Entkopplungseinheit 18 führenden Steuerleitung 24 Steuersignale erzeugt,

- eine Energiespeichereinheit 26, z.B. einen Kondensator oder einen Hilfsakkumulator.

Eine Plusleitung 30 führt vom Pluspol der Batterie 14 zu ei¬ ner Verzweigung 32. Eine Masseleitung 34 führt vom Minuspol der Batterie 14 zu einer Verzweigung 36. Zwischen den Ver¬ zweigungen 32 und 36 liegt einerseits ein Messzweig 40 und andererseits ein Verbraucherzweig 42. Der Messzweig 40 ent¬ hält die Messeinheit 16, die über zwei Leitungen Ll, L2 an die Verzweigung 32 bzw. 36 angeschlossen ist. Der Verbrau¬ cherzweig 42 enthält in Reihenschaltung bzw. in Serienschal¬ tung die Entkopplungseinheit 18 und den Verbraucher 12, wobei parallel zum Verbraucher 12 die Energiespeichereinheit 26 ge¬ schaltet ist. Im Einzelnen führt eine Leitung L3 von der Ver¬ zweigung 32 zu der Entkopplungseinheit 18. Eine Leitung L4 führt von der Entkopplungseinheit 18 zu einer Verzweigung Vl. Von der Verzweigung Vl führt eine Leitung L5 zu der Energie¬ speichereinheit 26. Eine Leitung L6 führt von der Verzweigung Vl zu der Teilnehmeranschlusseinheit 12, d.h. zum Verbrau- eher. Eine Leitung L7 führt von der Energiespeichereinheit 26 zu einer Verzweigung V2. Eine Leitung L8 führt von der Teil¬ nehmeranschlusseinheit 12 zu der Verzweigung V2. Zwischen der Verzweigung V2 und der Verzweigung 36 liegt eine Leitung L9.

Die Messeinheit 16 enthält einen ohmschen Messwiderstand 50, beispielsweise mit Kühlkörper und eine in Reihe zum Messwi¬ derstand 50 geschaltete Arbeitsstrecke einer Erfassungs¬ schalteinheit 56. Messleitungen 52, 54 greifen eine Spannung über dem Messwiderstand 50 ab und führen zu einer Auswerte- einheit 21, die in der Steuereinheit 20 enthalten ist. In

Reihe zu dem Messwiderstand ist die Arbeitsstrecke einer Er¬ fassungsschalteinheit 56 geschaltet, beispielsweise eines Re¬ lais. Die Wicklung des Relais ist an die Steuerleitung 22 an¬ geschlossen.

Die Funktionsweise der Steuereinheit 20 wird unten an Hand der Figur 2 näher erläutert. Die in der Steuereinheit 20 ent¬ haltene Auswerteeinheit 21 ist mit einem Telekommunikations- netz 60 bzw. mit einem Datenübertragungsnetz, z.B. dem Inter- net, über eine Übertragungsstrecke 62 verbunden, so dass ab¬ hängig von den Erfassungsergebnissen beim Erfassen des Lade¬ zustandes der Batterie 14 Meldungen an eine zentrale Steuer¬ einheit gesendet werden können, die mehrere Schaltungsanord¬ nungen 10 überwacht.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird an Stelle der Ent¬ kopplungseinheit 18 eine Diode 80 verwendet, die ebenfalls eine Entkopplung bewirkt. Die Diode 80 ist mit ihrer Anode an die Verzweigung 32 und mit ihrer Kathode an die Verzweigung Vl angeschlossen, d.h. in Durchlassrichtung bezüglich der

Batterie 14 geschaltet. Die Funktion der Schaltungsanordnung 10 für beide Varianten wird im Folgenden mit Bezug zur Fi¬ gur 2 erläutert.

Figur 2 zeigt in ihrem oberen Bereich einen Signalverlauf 100 für ein Steuersignal auf der Steuerleitung 24, beispielsweise für ein Spannungssignal. In der unteren Hälfte der Figur 2 ist ein Signalverlauf 102 für ein Steuersignal auf der Steu¬ erleitung 22 dargestellt, beispielsweise für eine Steuerspan¬ nung. In horizontaler Richtung ist jeweils die Zeit t darge- stellt, wobei später liegende Zeitpunkte weiter rechts liegen als frühere Zeitpunkte.

Die Schaltungsanordnung 10 hat in der Notspannungsbetriebsart zwei Unterbetriebsarten, nämlich eine Verbraucherbetriebsart I und eine Erfassungsbetriebsart II. In der Verbraucherbe¬ triebsart I stellt die Entkopplungseinheit 18 eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den Leitungen L3 und L4 her. Außerdem ist in der Verbraucherbetriebsart I der Erfassungs¬ stromzweig 40 durch die Erfassungsschalteinheit 56 unterbro- chen. In der Verbraucherbetriebsart I wird damit die Teilneh¬ meranschlusseinheit 12 durch die Batterie 14 mit einer Span¬ nung versorgt. Ein Messstromkreis 44 ist dagegen unterbro¬ chen.

In der Erfassungsbetriebsart II wird dagegen durch die Ent¬ kopplungseinheit 18 der Verbraucherstromzweig 42 unterbro¬ chen. Die Erfassungsschalteinheit 56 wird in der Erfassungs¬ betriebsart II so angesteuert, dass der Messzweig 40 ge¬ schlossen ist und der Messstromkreis 44 ebenfalls geschlossen ist. Damit fließt ein Strom durch den Messwiderstand 50, der einen Spannungsabfall am Messwiderstand 50 erzeugt. Der Span¬ nungsabfalls wird über die Messleitungen 52 und 54 abgegrif¬ fen, gegebenenfalls mit einer Abtastschaltung gespeichert und über eine Analog/Digital-Wandlereinheit in einen digitalen Wert umgewandelt. Die Auswerteeinheit 21 ermittelt den Lade¬ zustand der Batterie abhängig von den ermittelten digitalen Werten. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Signalverläufe 100 und 102 komplementär zueinander, so dass Umschaltflanken 110 und 112 bzw. 114 und 116 am Beginn der Erfassungsbetriebsart II bzw. am Ende der Erfassungsbetriebsart II gleichzeitig auf¬ treten. Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel liegt eine Umschaltflanke 112a im Signalverlauf 102 dagegen zeitlich nach der Umschaltflanke 110. Eine Umschaltflanke 116a liegt zeitlich vor der Umschaltflanke 114.

Eine Zeitdauer Tl, in der die Entkopplungseinheit 18 in der Erfassungsbetriebsart II den Verbraucherstromzweig 42 unter¬ bricht, beträgt im Ausführungsbeispiel 100 ms (Millisekun¬ den) . Eine Periodendauer T2 zwischen zwei aufeinanderfolgen- den Erfassungsbetriebsarten II bzw. zwischen zwei aufeinan¬ derfolgenden Verbraucherbetriebsarten I beträgt im Ausfüh¬ rungsbeispiel 2 Minuten.

Im Ausführungsbeispiel beträgt die Spannung der Batterie 14 im vollständig aufgeladenen Zustand beispielsweise 56 Volt. Die Teilnehmeranschlusseinheit 12 soll abgeschaltet werden, wenn die von der Batterie 14 gelieferte Spannung unter einen Wert von 17 Volt sinkt. Beispielsweise beträgt die Batterie¬ kapazität der Batterie 14 100 Amperestunden im aufgeladenen Zustand. Die Stromaufnahme der Teilnehmeranschlussschaltung 12 liegt abhängig von der Anzahl der gesteckten Teilnehmer¬ schaltungen im Bereich von 1 A bis 10 A. Der Messwiderstand 50 hat beispielsweise einen Wert von 20 Ohm oder von 30 Ohm.

Bei einer ersten Auswertevariante wird in der Auswerteeinheit 21 eine Tabelle hinterlegt, die für die Batterie 14 mit einem Messwiderstand 50 ermittelt worden ist, dessen Größe einem Mittelwert der Messwiderstände der Teilnehmeranschlussschal¬ tungen entspricht. Beispielsweise enthält die Tabelle für Spannungswerte von 17 Volt bis 56 Volt zugehörige Batterieka¬ pazitäten von 30 Amperestunden bis 100 Amperestunden. Die Auswerteeinheit ermittelt mit Hilfe dieser Tabelle abhängig von der über den Messwiderstand 50 erfassten Spannung die noch vorhandene Kapazität der Batterie 14.

Bei einer anderen Auswertevariante wird in der Auswerteein¬ heit 21 die folgende Tabelle gespeichert, die abhangig von der Anzahl von Erfassungsbetriebsarten II nach dem Erreichen des jeweiligen Spannungsbereiches verwendet werden sollen.

Die Spalten der Tabelle betreffen:

- Messspannung: Hierbei handelt es sich um Spannungsinterval¬ le.

- Reihe A: Wird mehr als oder genau 20 mal in Folge eine Spannung im gleichen Spannungsbereich Bx am Lastwiderstand der Messeinheit gemessen, so ist die Batterie-Kapazität der Tabelle, „Reihe A^ΛΛ, gültig, so dass dort die Batterie/Akku- Kapazitat abzulesen ist.

- Reihe B: Wird mehr als oder genau 15 mal in Folge aber we¬ niger als 20 mal in Folge eine Spannung im gleichen Span¬ nungsbereich Bx am Lastwiderstand der Messeinheit gemessen, so ist die Batterie-Kapazität der Tabelle, „Reihe B" , gültig, so dass dort die Batterie/Akku-Kapazität abzulesen ist . - Reihe C usw . : es gelten entsprechende Vorgaben wie für Rei¬ he A und B erläutert . Durch die Einbeziehung mehrerer Reihen lässt sich die Genauigkeit der Erfassung insbesondere bei stark entladener Batterie erhöhen .

Beispiel :

Es wird vier Mal in Folge eine Spannung gemessen, die in das Intervall B2 fällt. Daraufhin wird die Kapazität K_E2 aus der Tabelle ermittelt. Die gemessene Spannung bleibt auch nach 10 Messungen innerhalb des Intervalls B2 die Kapazität wird nun mit K₀₂ ermittelt.

Jedes Mal, wenn die gemessene Spannung in ein anderes Span¬ nungs-Intervall Bx fällt, wird wieder mit der Reihe E begon¬ nen.

Die absolute Kapazität der Batterie/Akku ist aufgrund der Hersteller Angabe bekannt. Die Tabellenwerte lassen sich durch Versuchsreihen ermitteln.

Durch das mit Hilfe der Tabelle durchgeführte Auswerteverfah¬ ren lassen sich auch bei Schaltungsanordnungen mit voneinan- der verschiedenen Verbraucherlasten, jedoch mit während der Entladung gleichbleibenden Lasten, genaue Ergebnisse erzie¬ len. Auch bei einer Schaltungsanordnung, deren Verbraucher¬ last sich während der Entladung der Batterie ändert verbes¬ sern sich durch die Verwendung des Auswerteverfahrens mit Ta- belle die Erfassungsergebnisse im Vergleich zu den anderen genannten Auswerteverfahren.

Zusammenfassend gilt, dass ein Plus-Messverfahren zur Bestim¬ mung der Batteriekapazität angegeben wird, das die Bestimmung der Kapazität einer Batterie während der Belastung durch ei¬ nen Verbraucher ermöglicht, wobei sich die Belastung durch den Verbraucher ändern kann, ohne dass die Genauigkeit der Ermittlung des Ladzustandes beeinträchtigt wird. Parallel zur Batterie, d.h. direkt an den Batterieklemmen, befindet sich ein elektronischer Schalter mit einem Messwiderstand in Rei¬ he. Dieser Schalter wird über einen Impulsgeber mit variabler Impulsbreite kurzzeitig (Impulsdauer) geschlossen. Bei ge¬ schlossenem Schalter wird die Batterie kurz über den Messwi- derstand belastet. Der dadurch am Messwiderstand verursachte Spannungsabfall wird gemessen und aus dieser Spannung der Batterieentladestrom ermittelt. Da die Spannung nur über die Impulsdauer anliegt, wird die Spannung am Messwiderstand bei¬ spielsweise mit einem elektronischen Halteglied gespeichert, bis die elektronische Ermittlung der Messspannung, beispiels¬ weise mit Hilfe eines Analog/Digital-Wandlers abgeschlossen ist.

Bei einer Variante wird die Betriebsspannung zusätzlich mit einem elektronischen Ladungsspeicher, z.B. mit Hilfe eines Kondensators, gepuffert, um einen Spannungsabfall an einem nachgeschalteten Verbraucher durch das Schließen des Schal- ters in der Messeinheit zu verhindern. Damit dieser Puffer durch die Messung nicht mitentladen wird und das Messergebnis verfälscht und um eine konstante Last zu erhalten, wird bei dieser Variante ein elektronischer Entkoppler genutzt, d.h. ein Schalter/Öffner, der vor dem Schließen des Schalters in der Messeinheit die Last kurzfristig abtrennt. Bei höheren Strömen reicht ein Kondensator als Puffer unter Umständen nicht mehr aus, so dass in diesem Fall ein Puffer-Akkumulator geeigneter Kapazität verwendet wird.

Bei einer anderen Variante wird die Last bzw. der Verbraucher während der Schalterschließung und Messung in der Messeinheit nicht über einen Schalter entkoppelt, sondern über eine Dio¬ de. Die Verbraucherlast bleibt somit erhalten. Die Gewichtung ist allerdings gering, wenn der Messwiderstand klein gegen- über der Last bemessen wird. In diesem Fall ist zwar nicht unbedingt ein Puffer-Akku erforderlich, jedoch verringert er Spannungsschwankungen am Verbraucher beim Durchführen der Messung zum Erfassen des Ladezustandes der Batterie erheb¬ lich .

Da der Messimpuls bei beiden Varianten sehr kurz ist, ist auch der Einfluss des Messens auf die Batterie gering . Über die Betriebsspannung und den pulsweise gemessenen Batterie¬ entladestrom lässt sich die j eweils aktuelle relative Batte¬ riekapazität ermitteln . Beispielsweise wird die Batteriekapa¬ zität prozentual in Bezug auf eine vollgeladene Batterie er- mittelt . Um eine Bezugsgröße zu erhalten, wird die Messung beispielsweise mindestens einmal bei einer voll aufgeladenen Batterie durchgeführt . Die in Figur 1 dargestellten mechani¬ schen Schalter dienen nur der Illustration und werden durch geeignete elektronische Bauteile realisiert . Die Erfindung ist sowohl für wiederaufladbare Akkumulatoren als auch für nicht-wiederauf ladbare Batterien bzw . nicht-wiederauf ladbare Quellen anwendbar .

Bei anderen Ausführungsbeispielen liegt die Spannung der Gleichspannungsquelle im voll aufgeladenen Zustand im Bereich von 2 Volt bis 10 Volt . Solche Anwendungen betreffen bei¬ spielsweise Mobilfunktelefone oder schnurlose Telefone gemäß beispielsweise DECT-Standard ( Digital Enhancement Cordless Telecommunications ) .

Bezugszeichenliste

10 Notspannungsversorgungs-Schaltungsanordnung

12 Teilnehmeranschlusseinheit 14 Batterie

16 Messeinheit

18 Entkopplungseinheit

20 Steuereinheit

21 Auswerteeinheit 22, 24 Steuerleitung

26 Energiespeichereinheit

30 Plusleitung

34 Masseleitung

32, 36 Verzweigung 40 Messzweig

42 Verbraucherzweig

44 Messstromkreis

50 Messwiderstand

52, 54 Messleitung 56 Erfassungsschalteinheit

60 Telekommunikationsnetz

62 Übertragungsstrecke

80 Diode

Vl, V2 Verzweigung Ll bis L9 Leitung

100, 102 Steuersignalverlauf

Tl Entkopplungsdauer

T2 Periodendauer

110 bis 116 Umschaltflanke 112a, 116a Umschaltflanke t Zeit

I Verbraucherbetriebsart

II Erfassungsbetriebsart

Claims

Patentansprüche

1. Schaltungsanordnung (10), insbesondere Spannungsversor- gungs-Schaltungsanordnung, mit einer Gleichspannungsquelle (14) , die einen ersten Be- triebspotentialanschluss und einen zweiten Betriebspotential- anschluss hat, an denen voneinander verschiedene Betriebspo¬ tentiale anliegen, mit einer Entkopplungseinheit (18), die zwei Arbeitsstrecken- anschlüsse enthält und die abhängig von einem elektrischen

Steuersignal (24) an einem Steueranschluss der Entkopplungs¬ einheit (18) eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen ihren Arbeitsstreckenanschlüssen herstellt oder trennt, mit einem Verbraucher (12) , der von der Gleichspannungsquelle (14) versorgt wird, mit einem Verbraucherstromzweig (42) , der in Reihenschaltung den Verbraucher (12) und die Entkopplungseinheit (18) ent¬ hält, mit einer im Verbraucher (12) angeordneten oder parallel zum Verbraucher (12) geschalteten Spannungsstabilisierungseinheit (26) , die kurzzeitigen Spannungsabfällen am Verbraucher (12) entgegenwirkt, mit einer Erfassungsschalteinheit (56) , die zwei Arbeitsstre¬ ckenanschlüsse enthält und die abhängig von einem elektri- sehen Steuersignal (22) an einem Steueranschluss der Erfas¬ sungsschalteinheit (56) eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen ihren Arbeitsstreckenanschlüssen herstellt oder trennt, mit einem Erfassungsstromzweig (40), der die Erfassungs- schalteinheit (56) enthält und der parallel zu dem Verbrau¬ cherstromzweig (42) geschaltet ist, mit einer Erfassungseinheit (50), die eingangsseitig mit ei¬ nem Erfassungsstromkreis (44) gekoppelt ist, der den Erfas¬ sungsstromzweig (40) und die Gleichspannungsquelle (14) ent- hält, und die abhängig vom Stromfluss im Erfassungsstromkreis (44) ein Ausgangssignal (52, 54) erzeugt, mit einer Steuereinheit (20) , die das Steuersignal (24) für den Steueranschluss der Entkopplungseinheit (18) erzeugt und die das Steuersignal (22) für den Steueranschluss der Erfas¬ sungsschalteinheit (56) erzeugt, und mit einer Auswerteeinheit (21) , die abhängig vom Aus¬ gangssignal (52, 54) der Erfassungseinheit (50) ein Ergebnis¬ signal oder ein Ergebnisdatum erzeugt, das ein Maß für den Ladezustand der Gleichspannungsquelle (14) ist.

2. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Steuereinheit (20) beim Umschalten in eine Verbraucherbetriebsart (I) das Herstellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung in der Entkopplungseinheit (18) und das Trennen einer elektrisch leitfähigen Verbindung in der Erfassungsschalteinheit (56) veranlasst, und dass die Steuereinheit (20) beim Umschalten in eine Er¬ fassungsbetriebsart (II) das Trennen der elektrisch leitfähi¬ gen Verbindung in der Entkopplungseinheit (18) und das Her¬ stellen einer elektrisch leitfähigen Verbindung in der Erfas- sungsschalteinheit (56) veranlasst.

3. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Steuereinheit (20) das Umschalten von der Verbraucherbetriebsart (I) in die Erfassungsbetriebsart (II) periodisch veranlasst, vorzugsweise mit einer Periodendauer (T2) im Bereich von 30 Sekunden bis 20 Minuten.

4. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Steuereinheit (20) das Trennen der elekt- risch leitfähigen Verbindung in der Entkopplungseinheit (18) für ein Intervall (Tl) im Bereich von 10 Millisekunden bis 1 Sekunde veranlasst.

5. Schaltungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit (16) eine

Abtastschaltung enthält, die in der Erfassungsbetriebsart (II) einen Erfassungswert erfasst und auch nach dem Beenden der Erfassungsbetriebsart (II) speichert.

6. Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit einen Erfassungswiderstand (50) enthält, an dem eine Spannung abgegriffen wird, und der vorzugsweise in dem Erfassungszweig (40) angeordnet ist, wobei der ohmsche Widerstand des Erfassungswiderstandes (50) vorzugsweise gleich dem ohmschen Lastwiderstand der Verbrau¬ chers (12) ist oder um weniger als 50 Prozent vom Lastwider¬ stand des Verbrauchers (12) abweicht.

7. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Diode (80) , die an Stelle der steuerbaren Entkopp¬ lungseinheit (18) als Entkopplungseinheit benutzt wird und die einen Stromfluss von der Gleichspannungsquelle (14) zum Verbraucher (12), aber nicht in umgekehrter Richtung ermög¬ licht, wobei die Steuereinheit (20) nur das Steuersignal (22) für den Steueranschluss der Erfassungsschalteinheit (56) erzeugt, und wobei vorzugsweise keine Spannungsstabilisierungseinheit vorhanden ist.

8. Schaltungsanordnung (10) nach Anspruch 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Erfassungseinheit einen Erfassungswider¬ stand (50) enthält, an dem eine Spannung abgegriffen wird, und der vorzugsweise in dem Erfassungszweig (40) angeordnet ist.

9. Schaltungsanordnung ( 10 ) nach Anspruch 8 , dadurch gekenn¬ zeichnet, dass der Erfassungswiderstand ( 50 ) um einen solchen Faktor größer als der Innenwiderstand der Gleichspannungs¬ quelle ( 14 ) ist , der im Bereich von 5 bis 20 liegt , und dass der Erfassungswiderstand ( 50 ) kleiner als der Last¬ widerstand des Verbrauchers ( 12 ) ist , vorzugsweise kleiner als 1/3 des Lastwiderstands .

10. Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungseinheit

(16) einen Analog/Digital-Wandler enthält.

11. Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbraucher (12) eine Netzwerkeinheit mit einer Vielzahl von drahtgebundenen Teilnehmeranschlüssen und mit einer vorzugsweise optischen Übertragungsstrecke zu einem Datenübertraguncjsnetz hin ist.

12. Schaltungsanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kommunikationseinheit zu einem Rechner, wobei die Kommunikationseinheit mit der Aus- werteeinheit gekoppelt ist.

13. Verfahren zum automatischen Ermitteln des Ladezustandes einer Gleichspannungsquelle (14) mit den Schnritten:

Entkoppeln eines Verbrauchers (12) von der Gleichspan- nungsquelle (14) ,

Schließen eines Erfassungsstromkreises (-44), der die Gleichspannungsquelle (14) enthält, nach dem Entkoppeln, Erfassung einer Spannung oder eines Stroms in dem Erfas¬ sungsstromkreis (44), - Öffnen des Erfassungsstromkreises (44) nach dem Erfassen, Anschließen des Verbrauchers (12) an die Gleichspannungs¬ quelle (14) .

14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch den Schritt:

Puffern der aktuellen Betriebsspannung am Vexbraucher (12) während des Entkoppeins.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeich- net, dass die Schritte periodisch ausgeführt werden.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das Entkoppeln für eine Zeitdauer (Tl) im bereich von 10 Millisekunden bis 1 Sekzunde durchgeführt wird,