WO2011121018A1 - Überwachung eines energiespeichers, der in reihe geschaltete speichereinheiten aufweist - Google Patents

Überwachung eines energiespeichers, der in reihe geschaltete speichereinheiten aufweist Download PDF

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WO2011121018A1
WO2011121018A1 PCT/EP2011/054904 EP2011054904W WO2011121018A1 WO 2011121018 A1 WO2011121018 A1 WO 2011121018A1 EP 2011054904 W EP2011054904 W EP 2011054904W WO 2011121018 A1 WO2011121018 A1 WO 2011121018A1
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monitoring
monitoring circuit
error signal
potential
output
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PCT/EP2011/054904
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Inventor
Johannes Scholten
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Bombardier Transportation Gmbh
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/165—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values
    • G01R19/16533—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application
    • G01R19/16538—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application in AC or DC supplies
    • G01R19/16542—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application in AC or DC supplies for batteries
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/396—Acquisition or processing of data for testing or for monitoring individual cells or groups of cells within a battery
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/04—Voltage dividers

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring an energy store, which has a plurality of storage units, which are electrically connected in series.
  • the invention further relates to a monitoring arrangement for monitoring such an energy store.
  • the invention relates to a monitoring circuit for
  • the invention relates to energy storage devices for storing
  • Braking energy are used, in particular braking energy of rail vehicles.
  • the energy storage can be carried by the vehicle itself or be stationarily arranged on the route and be electrically connected to the power grid, from which the vehicle draws energy while driving and feeds braking in the network.
  • the invention is not limited to energy storage and monitoring, which are used for the storage of braking energy.
  • the energy stores may be e.g. in series
  • Double layer capacitors or battery cells act.
  • energy storage units are electrically connected in series, i. their electrical voltages add up. It has been found that too high a voltage of a storage unit is a criterion for the likely failure of the unit. The excessively high voltage represents an early recognizable criterion. As a rule, the unit can continue to be operated for a longer time before it fails. The reason for the too high voltage is a reduced energy storage capacity compared to the original state. If the memory unit is charged with the same charging current as the other storage units connected in series, the voltage at the defective unit increases faster and higher values because the storage capacity is reduced.
  • An energy storage unit may consist of a single cell or a plurality of individual cells, which plurality of individual cells may comprise cells that are electrically connected in series.
  • in series has switched capacitors, for example, each capacitor forms a cell.
  • a cell may, for example, also have two capacitors connected in parallel.
  • the single battery cell eg lithium-ion cell
  • the storage unit need not be delimited by other structural features, such as a common bracket or a common housing, against other cells and storage units.
  • the storage unit may be defined solely by its
  • the entire energy storage device may have a nominal voltage of approximately 1 .000 volts, wherein a plurality of cells are connected in series. The lower of the two potentials at the two
  • Memory terminals may e.g. be defined as the ground potential of the total memory.
  • the potential of the first cell in the range of 1 V, while the electrical potential of the last cell at the opposite pole of the energy storage is approximately at an electrical potential of 1, 000 volts. Therefore, the voltages of the individual storage units to be monitored are substantially lower than the potential differences in the
  • Monitoring circuit generated measurement signal also galvanically decoupled to be transmitted to an evaluation device.
  • each monitoring circuit Decoupling of each monitoring circuit, however, is great. In practice, energy storage devices have hundreds or hundreds of memory cells connected in series. Even if only groups of two to four memory cells are monitored as energy storage units, typically tens of galvanic decoupling would be required. In addition, the monitoring circuits should as far as possible all be checked for correct function. A corresponding function test should not only be carried out once, at the start of commissioning, but repeated. If the monitoring circuits are electrically isolated from the storage mass, such a test would have to be performed individually for each memory unit or the associated memory unit
  • Monitoring circuit to be carried out separately. For testing, e.g. further galvanically decoupled connections of the monitoring circuits required.
  • a basic idea of the present invention is that
  • Monitoring circuits each monitoring a memory unit for overvoltage, to be coupled together so that an error signal generated by a monitoring circuit, which monitors an overvoltage of the associated
  • Memory unit is indicated, is supplied to a neighboring monitoring circuit, one adjacent in the order of series connection of the memory units
  • the error signal supplied to the adjacent monitoring circuit triggers an error signal in the latter, even if the memory unit monitored by it has no overvoltage. If the adjacent monitoring circuit is not the last monitoring circuit in the sequence, the error signal generated by it is in turn connected to an adjacent one
  • this predetermined direction of the forwarding of the error signals is the direction of increasing electrical potentials of the energy storage to be monitored and there are other embodiments in which the direction of forwarding the error signals of the direction of reducing electrical potentials to be monitored
  • Energy storage units corresponds.
  • Energy storage unit in the order of the energy storage units is the same location that the associated monitoring circuit in the order of
  • the first monitoring circuit does not require a signal input in order to receive an error signal or corresponding signal that triggers an error signal in it. Such a signal input of the first
  • monitoring circuitry in the order is preferred for testing the operability of the monitoring arrangement. If such a signal input exists, which can be referred to as a test signal input, a test signal to the first
  • Monitoring circuit are supplied, which triggers an error signal therein, which is transmitted to the next adjacent monitoring circuit, where it in turn triggers an error signal, etc., until the last monitoring circuit in the order produces and outputs an error signal.
  • This error signal from the last monitoring circuit triggered by the test signal can be used to recognize that the functional test was successful, i. each of the monitoring circuits is capable of producing and relaying an error signal.
  • each of the monitoring circuits comprises a circuit unit or group of circuit units which produces the error signal.
  • the signal input via which the monitoring circuits receive the error signal or test signal from the preceding monitoring circuits is preferably (eg directly) connected to an input of this signal generation unit or group of signal generation units.
  • this unit is a comparator, in particular with an amplifier function. This will be discussed in more detail.
  • a corresponding component is eg a
  • Operational amplifier which is integrated into the monitoring circuit so that it functions as a comparator and preferably with a gain function.
  • the error signal of the adjacent preceding monitoring circuit can be supplied directly to the input of the unit or group of units for generating the error signal, or it can be coupled elsewhere in the monitoring circuit. Examples will be discussed in more detail.
  • Monitoring circuit can be used as an error signal, which in turn triggers an error signal or in the case of the last monitoring circuit as
  • Total error signal of the monitoring arrangement is detected.
  • the error signals are generated in both cases by the same circuit unit or group of circuit units.
  • the invention further relates to a single monitoring circuit for monitoring a single memory unit, said monitoring circuit preferably being connected to the cascade of monitoring circuits according to the invention, i. to the
  • the single monitoring circuit is characterized by the following features, which can be implemented individually or in combination with the monitoring circuit:
  • the monitoring circuit has a signal output via which a
  • Error signal can be output. If an overvoltage in the associated memory unit to be monitored, generates the
  • Monitoring circuit an error signal that is output via the signal output.
  • the output of the error signal itself is not to be understood as a mandatory actively controlled process. Rather, the overvoltage can trigger the error signal present at the signal output due to the characteristics of the monitoring circuit, without the need for additional logic that decides whether the error signal is actually output. However, the use of such logic is conceivable.
  • such logic would allow the output of an error signal to be disabled at certain times, such as when the energy store is not operating.
  • the monitoring circuit comprises a unit or group of units configured to generate the error signal.
  • the unit or group of units is a comparator, i. a unit or group that compares two input signals with each other and generates or does not generate the error signal depending thereon.
  • the unit or group has an output that coincides with the
  • Voltage divider meets a specific, predefined criterion. Therefore, the monitoring circuit in particular on such a voltage divider, with its opposite end-side terminals to
  • monitoring energy storage unit is connected in parallel. It is particularly preferred that the monitoring circuit a
  • Reference voltage unit which generates a reference potential at a predetermined or predetermined height at an output of the unit, when applied to an input of the reference voltage unit, a specific, predetermined or predetermined electrical potential.
  • the potential at the input of the unit may e.g. the potential at a connection of the
  • Be monitoring circuit over which the monitoring circuit is connected to the monitored energy storage unit may be the potential at the input of the reference voltage unit by a predetermined or predetermined potential one in the order of
  • this potential of the adjacent monitoring circuit can optionally change depending on the operating state.
  • the potential may vary depending on whether the adjacent monitoring circuit is generating or not generating an error signal or changing depending on whether the neighboring monitoring circuit receives or does not receive an error signal from a neighboring monitoring circuit.
  • the potential at the input of the reference voltage unit is preferably only of the operating state of the energy storage unit to be monitored, one of these energy storage unit immediately adjacent
  • the value of the potential at the output of the reference voltage unit, if none of the adjacent monitoring circuits, on which the potential depends, produces an error signal, is predetermined or predetermined so that the output potential can be used as a reference potential for the generation of the error signal by the monitoring circuit. In particular, this can be
  • Reference potential can be used by the unit or group of units to generate the error signal.
  • the reference potential may be an input to the comparator.
  • the other input signal of the comparator may in particular be the output voltage or the output potential of the voltage divider mentioned above.
  • a reference voltage unit in particular a Zener diode, another combination of
  • the invention relates to a method for operating a single monitoring circuit for monitoring an energy storage unit, in particular a method with which the monitoring circuit described above is operated in one of its embodiments.
  • Each of the storage units is assigned using an associated storage unit
  • Overvoltage is understood in particular to mean a predetermined or predetermined voltage value (predetermined in particular by the electrical properties of the monitoring circuit), which can also be referred to as a threshold or limit value and which is exceeded if the voltage to be monitored is applied to the opposite terminals
  • Energy storage unit drops a correspondingly high voltage.
  • the error signal is the signal indicating that a
  • Overvoltage was detected by the monitoring circuit or an error signal was received from the monitoring circuit of a neighboring monitoring circuit.
  • the operability of the monitoring circuits is checked by placing a first one at the beginning of the order of series connection Monitoring circuit (ie, the monitoring circuit, which monitors the first memory unit in the order of series connection of the memory units) is supplied to a test signal which triggers an error signal in the first monitoring circuit, so that the steps a) to d) of the above list are carried out however, the error signal generated by the last monitoring circuit is interpreted as a signal of a successful functional check.
  • Monitoring circuit ie, the monitoring circuit, which monitors the first memory unit in the order of series connection of the memory units
  • a monitoring arrangement for monitoring an energy store which has a plurality of storage units, which are electrically connected in series, wherein
  • the monitoring arrangement comprises a plurality of monitoring circuits
  • Each of the monitoring circuits has an error signal output
  • Monitoring circuit which monitors the first memory unit in the order of series connection, having a signal input to the
  • Error signal output is connected to the preceding in the order of the series connection monitoring circuit
  • each of the monitoring circuits is configured to generate an error signal at an overvoltage of the associated memory unit monitored by it and / or upon receipt of an error signal at the signal input, which is output via the error signal output.
  • the first monitoring circuit which monitors the first memory unit in the sequence of the series connection, preferably also has a signal input, via which a test signal can be supplied to the first monitoring circuit, so that, if the monitoring arrangement functions properly, at the error signal output the last monitoring circuit in the order of series connection one
  • At least one of the monitoring circuits has a
  • Reference voltage source and a comparator which is connected to an output potential of the reference voltage source and a monitoring potential, which depends on the monitored voltage of the associated memory unit, wherein a Output of the comparator is connected to the error signal output.
  • Reference voltage source is in particular the above-mentioned
  • the comparator is preferably a comparator having the above described characteristics and inputs or outputs. It has also already been described above with examples how the comparator can be connected to other elements of the monitoring circuit.
  • the term reference voltage source basically includes the possibility of the source (such as a battery) generating electrical energy.
  • the reference voltage source is one
  • Reference voltage unit which itself does not generate electrical energy. But even the reference voltage unit already described in more detail above can by a
  • Reference voltage source can be replaced, which is able to generate electrical energy.
  • the comparator is connected, for the purpose of its power supply, to terminals between which an electrical voltage is applied.
  • This voltage is derived from the voltage of the memory unit to be monitored, i. either this voltage is the voltage of the memory unit to be monitored or is formed by it, e.g. through a voltage divider. This is based on the idea that the memory unit is to be monitored for overvoltage and therefore there is always a voltage available for the supply of the comparator in the case to be monitored. If, instead of the comparator, another unit or group of units were used which serves to generate the error signal, this type of voltage supply preferably also applies accordingly.
  • the comparator or the other type of components for signal generation is designed as an amplifier which, when an overvoltage of the associated memory unit passes, the corresponding between the output potential of the
  • Amplified reference voltage source and the monitoring potential existing voltage and outputs the amplified voltage or a corresponding electrical potential as an error signal via the output.
  • the gain has the advantage that a unique signal is generated as an error signal. Variations or attenuations of the voltage or of the electrical potential at the input of the amplifier produced by other influences are compensated by amplification so that the signal at the input may fluctuate within a certain range without compromising the quality of the signal
  • Output signal suffers.
  • the signal experiences in each of the series switched monitoring circuit a refresher. This refresh prevents the error signal passed from one stage to the next from attenuating to such an extent that the handover from a certain lower signal level ceases to function.
  • Monitoring level is so low that a clear detection is always possible, in this way, the monitoring circuit can be designed.
  • an input potential of the reference voltage source which serves as a reference potential for the reference voltage generated by the reference voltage source, may be a potential that is unambiguously connected through a to a terminal of
  • the monitoring potential at the input of the comparator can in particular be formed by a voltage divider, which is connected with its opposing terminals to the terminals of the associated memory unit, so that it is connected in parallel to the memory unit.
  • Energy storage i. the monitoring circuit and the monitored energy storage are the subject of the invention.
  • the method for testing the functionality of the monitoring circuit is preferably carried out repeatedly during the operation of the energy store and / or in phases in which the energy store is not used. For this purpose, however, the energy store should be charged, since the monitoring circuits in the preferred embodiment receive their energy supply from the store itself.
  • the signal output of the last monitoring circuit in the order is preferably galvanically decoupled from terminals to which an external device is connected to detect the error signal.
  • the signal input is preferably also in the order of Watchdog circuits galvanically decoupled the first monitoring circuit against terminals, via which the test signal for testing the functionality of the arrangement is input or triggered.
  • relays are suitable. The relay can itself effect the isolation. Alternatively or additionally, for example, by means of an isolating transformer and bridge rectifier, the energy required for the relay is transmitted. Of course, other embodiments are possible.
  • Error signal propagates within the cascade to an output of the array, each monitoring circuit without direct connection to a common
  • each monitoring circuit can be operated at the potential level of the storage unit to be monitored. Also the supply of active
  • Components of the monitoring circuit is also possible by the voltage of the memory unit to be monitored at this potential level. Only via the signal outputs and signal inputs of adjacent monitoring circuits they are connected. Because the potential differences between the neighboring
  • monitoring circuits are not very large, this does not lead to the problems described in the beginning, as with a common reference potential of all monitoring circuits. Furthermore, the arrangement can be tested in sequence by a single additional signal input to the first monitoring circuit. The same signal chain within the cascade, that of the
  • Fig. 1 shows a first embodiment of a monitoring circuit for
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a monitoring circuit, similar to the monitoring circuit in FIG. 1, but with the arrangement of the reference voltage unit changed.
  • FIG. 2 shows a further exemplary embodiment of a monitoring circuit, similar to the monitoring circuit in FIG. 1, but with the arrangement of the reference voltage unit changed.
  • FIG. 3 shows an example of a monitoring arrangement with a series circuit of the monitoring circuit of the type shown in FIG. 1, wherein furthermore the energy store is shown with the series connection of the storage units, FIG.
  • Fig. 4 is an arrangement similar to that in Fig. 3, but with the signal outputs and signal inputs of the adjacent ones
  • FIG. 5 shows another example of a monitoring circuit similar to that in FIG. 1, wherein the input side terminal of the reference voltage unit forms the input signal input for receiving the error signal from the adjacent monitoring circuit, and
  • Fig. 6 is a monitoring circuit as in Fig. 2, but wherein
  • Output side terminal of the reference voltage unit forms the signal input for receiving the error signal from the adjacent monitoring circuit.
  • FIG. 1 shows a monitoring circuit 2 for monitoring a memory unit of an energy store, the memory unit having a series connection of capacitors 3a, 3b.
  • the opposite terminals of the series connection of Capacitors 3 a, 3 b are connected to the monitoring circuit 2 via terminals 1 a, 1 b.
  • the terminal 1 a is connected via a first resistor 7 and a
  • Reference voltage unit 5 connected to the terminal 1 b.
  • the first resistor 7 and the reference voltage unit 5 are therefore connected in series.
  • connection point between the first resistor 7 and the reference voltage unit 5 is connected to a first input, denoted by "-", of a comparator 10.
  • the comparator is an operational amplifier. In the exemplary embodiment, it is also in the
  • Reference voltage unit 5 around a Zener diode.
  • the Zener diode is polarized such that the diode flow direction is from the lower potential
  • Terminal 1 b leads via the first resistor 7 to the terminal 1 a located at a higher electrical potential. Therefore, a current flows permanently against the
  • connection point between the first resistor 7 and the reference voltage unit 5 is always at the same electric potential as long as the current flows through the Zener diode or the unit 5 and as long as the electric potential at the terminal 1b does not change. More generally, the same voltage always falls above the
  • Reference voltage unit 5 from, as long as the current flows through the Zener diode counter to the direction of flow. Therefore, the first terminal of the comparator 10 is at a constant, fixed predetermined or predetermined electric potential or relative to the potential at the terminal 1 b at a fixed predetermined higher potential level.
  • Reference voltage unit 5 is a voltage divider between the terminals 1 a, 1 b connected, which consists in the embodiment of two resistors, the second resistor 8 and the third resistor 9. A point between the second and third resistor 8, 9 is connected to the second input connected to the comparator 10, which is denoted by "+". This point between the resistors 8, 9 and thus also the second terminal of the comparator 10 is connected to the signal input 1 1 a of
  • the polarity of the comparator is selected so that the output of the comparator assumes the upper voltage level (maximum the voltage level of the terminal 1 a), when the voltage of
  • the limit value is determined from the constant voltage which drops across the reference voltage source 5 and from the dimensioning of the resistors 8, 9 of the voltage divider.
  • the comparator 10 is powered by power supply terminals with power, wherein the power supply terminals connect the comparator 10 with the terminals 1 a, 1 b. This means that the comparator 10 is supplied by the voltage which drops across the storage unit to be monitored.
  • the fourth resistor 12 is a resistor suitable for cascading, i. for the series connection of
  • the signal output 1 1 b can also be referred to as cascading output.
  • the signal input 1 1 a can be referred to as a cascade input.
  • Reference voltage unit can be replaced and instead of the operational amplifier, another comparator or a comparator circuit can be used. Instead of the zener diode 5, e.g. an integrated circuit can be used, which is commercially available on the market.
  • the first resistor 7 is preferably selected so that a very small current flow from the terminal 1 a via the first resistor 7 and the reference voltage unit 5 to the second terminal 1 b flows to the
  • the resistors 8, 9 of the voltage divider are preferably selected so that only a small current flow from the terminal 1 a via the voltage divider to the
  • Connection 1 b leads.
  • the function of the monitoring circuit 2 shown in Fig. 1 is as follows: Is at the cascading input 1 1 a no error signal and falls on the series circuit of Capacitors 3a, 3b, no overvoltage, is the electrical potential at the second designated by "+" input of the comparator 10 at a level below the level of the first terminal of the comparator 10. At the output of the comparator 10 is therefore an electrical potential, the is at a lower voltage level, approximately at the level of the terminal 1 b.
  • the comparator 10 switches the electrical potential at its signal output to the higher voltage level or amplifies the now positive voltage between the second and first inputs of the comparator 10 by a gain factor, ie the corresponding amplified voltage is between the signal output of the comparator and the level of the terminal 1 b.
  • Reference voltage should be selected so that the comparator 10 only in the case of an overvoltage and in the case of one at its cascading input 1 1 a
  • Fig. 3 shows a cascade of monitoring circuits, each one
  • Monitor memory unit for overvoltage.
  • the monitoring circuits are of the type shown in FIG.
  • the type shown in Figure 2 could be used in the cascade without changing the arrangement with respect to their connections between the monitoring circuits.
  • Monitoring circuits of the type shown in FIG. 2 are. It should be noted, however, that an error signal preceding a preceding one in the order of the monitoring circuits monitoring circuit, an error signal of the subsequent
  • Reference voltage units to drop corresponding voltages in the monitoring circuits accordingly.
  • FIG. 3 shows only three of the monitoring circuits of the cascade and the respective storage unit monitored by the monitoring circuit for overvoltage.
  • the first monitoring circuit 2a is shown at the top of FIG. Its cascading input 1 1 a has the function of a signal input for a test signal.
  • the test signal is in the in Fig.
  • the coil 38 of the relay 42 is galvanically isolated from the switch 39. If the coil 38 is supplied with current via the connection contacts 37a, 37b, so that a magnetic field of the coil 38 causes the closing of the switch 39, the first becomes
  • Monitoring connection 1 a shorted to the cascading input 1 1 a of the monitoring circuit 2a. This triggers the switching of the signal level at the output of the comparator 10 of the monitoring circuit 2a from low potential level to high potential level, since the short circuiting over the total of the
  • Monitoring circuit 2a monitored storage unit voltage now dropping at the second resistor 9 of the voltage divider and therefore the second input of the comparator 10 is at a higher potential than the first input.
  • the switch 39 connected in parallel resistor 40 serves to the operating point at the entrance of the Comparator 10 of the first monitoring circuit 2a in the same way to set as the operating points at the inputs of the other monitoring circuits 2, 2b.
  • the memory unit monitored by the first monitoring circuit 2a has in the
  • Embodiment turn on two series-connected capacitors 13a, 13b.
  • it could also be battery cells or other memory cells.
  • the monitoring circuit 2a is connected to the opposite pole sides of the series connection of the capacitors 13a, 13b. Since the monitoring circuit 2a is the first monitoring circuit in the series of monitoring circuits, i. in the cascade, the supervised memory unit with the capacitors 13a, 13b is also the first memory unit in the order of series connected
  • the memory has the electrical connections 35a at high potential and 35b at low potential.
  • the next monitoring circuit 2 in the order of the monitoring circuits of the arrangement is connected with its cascading input 1 1 a to the Kaskadierausgang 1 1 b of the first monitoring circuit 2a.
  • This second monitoring circuit 2 is connected with its monitoring terminals 1 a, 1 b to the second memory unit with the series-connected capacitors 3 a, 3 b.
  • This series connection of the capacitors 3a, 3b is connected in series with the memory unit with the capacitors 13a, 13b.
  • the third monitoring circuit and the third memory unit which follow the second monitoring circuit or second memory unit in the order of the monitoring circuit or memory unit, as well as all other sequential monitoring circuits or memory units are not explicitly illustrated in FIG. 3, with the exception of FIG last monitoring circuit 2b and the memory unit monitored by it with the series connection of the capacitors 23a, 23b.
  • the monitoring circuits and memory units which are not shown in detail, are only indicated by broken lines, which run in a vertical direction in FIG. 3. For example 50 or 100 monitoring circuits and memory units connected in series. It is conceivable, in contrast to FIG. 3, that the memory units have a different number of memory cells.
  • the last monitoring circuit 2b is connected with its cascading input 1 1 a to the penultimate monitoring circuit not shown in detail, namely at the Kaskadierausgang 1 1 b. With its cascading output 1 1 b is the last
  • Monitoring circuit 2b connected to a coil 32 of another relay 43.
  • the other terminal of the coil 32 is short-circuited to the second monitoring terminal 1b of the last monitoring circuit 2b.
  • the relay 43 also has a switch 33 which is closed when energizing the coil 32 of the relay 43 and is otherwise open. When closed, this is detected via the terminals 34a, 34b of the switch 33, e.g. in that a voltage drops across the connection contacts 34a, 34b, which leads to a current flow when the switch 33 is closed. In this way, the test signal propagated through the cascade of the monitoring circuits can be detected. In other words, closing the switch 33 means that the functional test of the monitoring arrangement was successful.
  • the functional test is achieved by energizing the coil 38 of the first relay 42.
  • the high signal level is applied at the output of the comparator 10 of the first monitoring circuit 2a. This high signal level is due to the fact that the comparator 10 is supplied via the monitoring terminals 1 a, 1 b with its operating voltage, approximately at the same potential level as the first
  • Surveillance terminal 1 a of the first monitoring circuit 2a i. at the potential level of the terminal 35a of the memory.
  • Monitoring circuit 2 is now at the second, labeled "+" input of the comparator 10 of the second monitoring circuit 2, a higher voltage level than at low signal output level of the comparator 10 of the first
  • the cascading resistor 12 is the first
  • Monitoring circuit 2a is selected so that the input potential at the second signal input of the second monitoring circuit 2 above the potential at the first, with "-" designated signal input of the comparator 10 of the second monitoring circuit 2 is located.
  • the comparator 10 of the second monitoring circuit 2 amplifies this positive voltage at its signal inputs, so that at its output, in turn, as in the first monitoring circuit 2a, a potential at a high signal level, approximately at the level of its first monitoring terminal 1 a, is applied.
  • this test error signal (namely the output signal of the comparator 10 at a high voltage level) now propagates to the third one
  • a single one of the comparators 10 is defective and does not supply the output signal at the high voltage level or is e.g. electrical contact between two adjacent monitoring circuits is not or only produced via an increased resistance, the test error signal does not pass through the entire cascade of the monitoring circuits and therefore at least the comparator 10 of the last monitoring circuit 2b does not produce the output signal at a high signal level. Therefore, the coil 32 of the relay 43 is not energized or not sufficiently energized, so that the switch 33 is not closed.
  • a monitoring arrangement as shown in Fig. 3 could also be realized without the relays 42, 43 and without another terminal for testing operability. In this case, no bump test could be performed. However, as long as the arrangement works properly, the monitoring circuits could at least have their
  • This error signal could in turn be detected by the relay 43.
  • the relay 42 would be omitted, but not the relay 43.
  • a potential separation i.e., galvanic isolation
  • Evaluation device as implemented by the relay 43 in the example of FIG. 3, is not absolutely necessary, however, since the potential of the output signal of the last monitoring circuit 2b is at a very low potential level as measured by the voltage drop across the entire memory and
  • Surveillance terminal 1b of the last monitoring circuit 2b e.g. can be grounded.
  • such a galvanic isolation is nevertheless preferred, since in this way it can be ensured that the evaluation device, e.g. has electronic components, is separated from the memory, which can be charged with very high charging currents and correspondingly strong discharge currents can be discharged.
  • the propagation of the error signal can also take place in the reverse order of the monitoring circuits through the cascade.
  • "Conversely” here refers to the series connection of the memory units to be monitored, which is equal to the series connection in FIG. 3.
  • the monitoring circuits are of the same type as in Fig. 3. Their interconnection with each other is different.
  • the signal output of the comparator 10 is not connected via the Kaskadierwiderstand 12 with the cascade input of the adjacent monitoring circuit, the
  • Monitored memory unit at the next lower potential level but connected to the cascading input 1 1 b of the monitoring circuit, which monitors the memory unit at the next higher potential level of the memory.
  • the reference voltage provided via the reference voltage unit 5 reference voltage, the resistors of the voltage divider and the Kaskadierwiderstand 12 are coordinated so that a signal at a high signal level at the signal output in the order of Monitoring circuit preceding monitoring circuit also triggers a high signal level at the signal output of the following monitoring circuit.
  • the arrangement differs in Fig. 4 only in that in the relay, the coils and switches are reversed and the terminals of the relay to the first 2a and 2b last monitoring circuit are changed.
  • the first monitoring circuit 2b which in the case of FIG.
  • the relay 53 is used.
  • the terminals 34a, 34b serve to supply the test signal by energizing the coil 32 of the relay 53.
  • the switch 33 is opened. Since the terminals of the switch 33 with the second
  • Monitoring circuit 2b are connected, is opened by opening the switch 33, the electric potential at the plus input of the comparator 10, since the
  • the cascading output 1 1 b of the last monitoring circuit 2a At the cascading output 1 1 b of the last monitoring circuit 2a, a propagation of the test error signal or the error signal due to an overvoltage of one of the memory units, a potential at the high signal level.
  • the cascading output 1 1 b of the last monitoring device 2 a is connected to the coil 38 of the relay 52.
  • the other terminal of the coil 38 is connected to the second
  • FIGS. 3 and 4 show the principle according to which, depending on the configuration of the cascade of the monitoring circuits, the error signal can be propagated from lower to higher potential or vice versa.
  • the order of the monitoring circuits can be chosen such that the first monitoring circuit is at the highest potential level of the memory, ie at the potential level of the memory unit with the highest potential, or at the potential level of the memory unit with the lowest potential of the memory.
  • Monitoring circuits of Fig. 1 and Fig. 2 in that not a change of the output signal level from lower potential level to high potential level represents the error signal, but conversely, a change from the high potential level to the low potential level at the output of the monitoring circuit
  • FIG. 5 and FIG. 6 however, the same types of circuit elements, which may be differently sized, are nevertheless denoted by the same reference numerals as in FIG. 1 and FIG.
  • the monitoring circuit 42 in Fig. 5 has as the
  • Monitoring circuit 2 in Fig. 1 a voltage divider with the resistors 8, 9, wherein the opposite terminals of the voltage divider are in turn connected to the monitoring terminals 1 a, 1 b of the monitoring circuit 42.
  • a point between the resistors 8, 9 of the voltage divider is connected to the second signal input of the comparator 100.
  • the second signal input is differently poled with respect to the first signal input of the comparator 100. Therefore, the second signal input in this case is denoted by "-”.
  • the first signal input is labeled "+”.
  • a series connection of a reference voltage unit 5 and a first resistor 7 is connected in parallel with the voltage divider. However, only one terminal of this series circuit is connected directly to a monitoring terminal of the monitoring circuit.
  • connection of the series connection to the first monitoring connection 1 a is connected to the higher potential level of the two monitoring connections 1 a, 1 b.
  • This is the connection of the series connection of the components 5, 7, which is located on the first resistor 7.
  • the terminal of the series circuit which is closer to the first resistor 7, with the second
  • Monitoring terminal 1 b connected, which is at a lower potential level of the two monitoring terminals 1 a, 1 b.
  • the other terminal of the series connection of first resistor 7 and reference voltage unit 5 is designed as a cascading input 1 1 c (in the case of FIG. 5) or 1 1 d (in the case of FIG. 6).
  • the cascading input 1 1 d is connected to the input of the reference voltage unit 5, which is at the higher electrical potential during operation of the arrangement.
  • the function of the monitoring circuit according to FIG. 5 is as follows:
  • Cascade input 1 1 c is connected to an adjacent monitoring circuit (not shown in FIG. 5) with its cascading output, the adjacent monitoring circuit monitoring a memory unit that is at a lower level
  • Potential level is operated as the capacitors 3a, 3b of the memory unit, which is monitored by the monitoring circuit 42 in Fig. 5. Is this adjacent
  • Monitoring circuit configured as well as the monitoring circuit 42 in Fig. 5, is the cascading input 1 1 c, which is connected to the cascading output 1 1 b of the adjacent monitoring circuit, on the higher
  • Monitoring circuit is the voltage level at the cascading input 1 1 c the
  • Monitoring circuit 42 of FIG. 5 is still slightly lower than the potential at the monitoring port 1 b of the monitoring circuit 42 in FIG. 5.
  • the voltage level at the cascading input 1 1 c determines the voltage level at the other terminal of the reference voltage unit 5, i. at first, with "+"
  • the potential level at the second, denoted by "-" input of the comparator 100 is lower than at the first input due to the corresponding choice of the resistors 8, 9 of the voltage divider. Therefore, the comparator 100 also outputs an electric potential at the higher level as an output signal.
  • the monitoring circuit 42 receives the lower potential level via its cascading input 11c because an error signal or test error signal is output from the adjacent monitoring circuit, the potential at the input of the reference voltage unit and thus also at the output of the reference circuit decreases
  • the potential level at the second "-" signal input of the comparator 100 is undershot, so that the comparator 100 outputs the potential at the lower potential level at its output.
  • the cascading output 11b is connected to another monitoring circuit, the error signal propagates further.
  • Monitoring circuit (not shown in Fig. 6) is connected to a
  • Memory unit which operates at a higher potential level than the capacitors 3a, 3b, which are monitored by the monitoring circuit 52. If no error signal is output from this adjacent monitoring circuit, is the potential level at the cascading input 1 1 d at the higher possible voltage level.
  • the reference voltage unit drops the reference voltage so that a higher potential is applied at the point between the reference voltage unit and the first resistor 7, which is connected to the first signal input of the comparator 100, than at the second one, designated "-" Signal input of the comparator 100, however, switches the adjacent monitoring circuit at its signal output to the lower potential, ie it outputs an error signal, also decreases the potential at the input of the
  • Monitoring circuit in Fig. 5 be. In order to achieve the propagation direction in FIG. 4, the monitoring circuit of the type shown in FIG. 4, the monitoring circuit of the type shown in FIG.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Energiespeichers, der eine Mehrzahl von Speichereinheiten (3, 13, 23) aufweist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei jede der Speichereinheiten (3, 13, 23) unter Verwendung einer zugeordneten Überwachungsschaltung (2, 2a, 2b) auf Überspannung überwacht wird, wobei beginnend mit einer der Überwachungsschaltungen (2, 2a, 2b), die eine Überspannung der von ihr überwachten Speichereinheit feststellt, a) ein Fehlersignal an eine benachbarte Überwachungsschaltung (2, 2a, 2b) ausgegeben wird, die eine zugeordnete in der Reihenfolge der Reihenschaltung benachbarte Speichereinheit (3, 13, 23) überwacht, b) das von der benachbarten Überwachungsschaltung (2, 2a, 2b) empfangene Fehlersignal in der benachbarten Überwachungsschaltung (2, 2a, 2b) ein Fehlersignal auslöst, c) die Schritte a) und b) solange wiederholt werden, bis in einer am Ende der Reihenfolge der Reihenschaltung angeordneten letzten Überwachungsschaltung (2, 2a, 2b), die die in der Reihenfolge der Reihenschaltung letzte Speichereinheit überwacht, ein Fehlersignal ausgelöst wird, und d) das von der letzten Überwachungsschaltung (2, 2a, 2b) erzeugte Fehlersignal als Fehlersignal für das Vorliegen eines Fehlers des Energiespeichers ausgegeben wird.

Description

Überwachung eines Energiespeichers, der in Reihe geschaltete Speichereinheiten aufweist
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Energiespeichers, der eine Mehrzahl von Speichereinheiten aufweist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Erfindung betrifft ferner eine Überwachungsanordnung zum Überwachen eines derartigen Energiespeichers. Ferner betrifft die Erfindung eine Überwachungsschaltung zum
Überwachen einer einzelnen Speichereinheit eines derartigen Energiespeichers sowie ein entsprechendes Verfahren zum Überwachen der einzelnen Energiespeichereinheit.
Die Erfindung betrifft insbesondere Energiespeicher, die zur Speicherung von
Bremsenergie eingesetzt werden, insbesondere Bremsenergie von Schienenfahrzeugen. Dabei kann der Energiespeicher vom Fahrzeug selbst mitgeführt werden oder an der Strecke ortsfest angeordnet sein und elektrisch mit dem Energieversorgungsnetz verbunden sein, aus dem das Fahrzeug während der Fahrt Energie bezieht und beim Bremsen in das Netz einspeist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Energiespeicher und deren Überwachung beschränkt, die für die Speicherung von Bremsenergie eingesetzt werden.
Bei den Energiespeichern kann es sich z.B. um in Reihe geschaltete
Doppelschichtkondensatoren oder Batteriezellen handeln. Es sind jedoch auch andere Energiespeichertypen denkbar. Bei allen Energiespeichern sind Energiespeichereinheiten elektrisch in Reihe geschaltet, d.h. ihre elektrischen Spannungen addieren sich. Es hat sich gezeigt, dass eine zu hohe elektrische Spannung einer Speichereinheit ein Kriterium für den wahrscheinlich stattfindenden Ausfall der Einheit ist. Die zu hohe Spannung stellt dabei ein frühzeitig erkennbares Kriterium dar. In der Regel kann die Einheit noch längere Zeit weiter betrieben werden, bevor sie ausfällt. Grund für die zu hohe Spannung ist eine gegenüber dem ursprünglichen Zustand verringerte Energiespeicherkapazität. Wird die Speichereinheit mit demselben Ladestrom wie die anderen in Reihe geschalteten Speichereinheiten geladen, erhöht sich die Spannung bei der schadhaften Einheit schneller und auf höhere Werte, da die Speicherkapazität verringert ist.
Eine Energiespeichereinheit kann aus einer einzelnen Zelle oder aus einer Mehrzahl von einzelnen Zellen bestehen, wobei diese Mehrzahl von einzelnen Zellen Zellen aufweisen kann, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Bei einem Energiespeicher, der in Reihe geschaltete Kondensatoren aufweist, bildet z.B. jeder Kondensator eine Zelle. Eine Zelle kann jedoch z.B. auch zwei parallel geschaltete Kondensatoren aufweisen. Bei in Reihe geschalteten Batteriezellen ist die einzelne Batteriezelle (z.B. Lithium-Ionen-Zelle) die Zelle. Für die Überwachung auf zu hohe Zellenspannung reicht es aus, z.B. zwei oder vier in Reihe geschaltete Zellen in ihrer Gesamtheit als Speichereinheit zu überwachen. Dabei muss die Speichereinheit nicht durch weitere bauliche Merkmale, z.B. eine gemeinsame Halterung oder ein gemeinsames Gehäuse, gegen andere Zellen und Speichereinheiten abgegrenzt sein. Die Speichereinheit kann allein dadurch definiert sein, dass ihre
Gesamtspannung überwacht wird.
Bei der Überwachung der Zellenspannung oder der Spannung von Speichereinheiten besteht das Problem, dass die elektrischen Potenziale der Zellen aufgrund der
Reihenschaltung sehr verschieden sind. Z.B. kann der gesamte Energiespeicher eine Nominalspannung von ca. 1 .000 Volt aufweisen, wobei eine Vielzahl von Zellen in Reihe geschaltet sind. Das niedrigere der beiden Potenziale an den beiden
Speicheranschlüssen kann z.B. als Massepotenzial des Gesamtspeichers definiert werden. In diesem Fall befindet sich z.B. bezogen auf Masse das Potential der ersten Zelle im Bereich von 1 V, während sich das elektrische Potential der letzten Zelle am entgegengesetzten Pol des Energiespeichers etwa auf einem elektrischen Potenzial von 1 .000 Volt befindet. Daher sind die zu überwachenden Spannungen der einzelnen Speichereinheiten wesentlich geringer als die Potenzialunterschiede in der
Reihenschaltung. Dies kann zu sehr ungenauen Messungen führen, die nicht dazu geeignet sind, eine signifikante, absolut betrachtet aber geringe Erhöhung der
Zellenspannung gegenüber einem früheren Zustand oder gegenüber der Zellenspannung anderer Zellen zu messen. Alternativ könnte die Überwachungsschaltung, die die
Spannung einer einzelnen Speichereinheit überwacht, galvanisch gegen das Speicher- Massepotenzial getrennt sein oder lediglich über die Speicherzellen an das Gesamt- Speicher-Massepotenzial angekoppelt sein und könnte das von der
Überwachungsschaltung erzeugte Messsignal ebenfalls galvanisch entkoppelt zu einer Auswertungseinrichtung übertragen werden. Der Aufwand für die galvanische
Entkopplung jeder einzelnen Überwachungsschaltung ist jedoch groß. In der Praxis kommen Energiespeicher vor, die hundert oder mehrere hundert Speicherzellen aufweisen, die in Reihe geschaltet sind. Selbst wenn nur Gruppen von zwei bis vier Speicherzellen als Energiespeichereinheiten überwacht werden, würden typischerweise einige zehn galvanische Entkopplungen erforderlich sein. Außerdem sollten die Überwachungsschaltungen möglichst alle auf korrekte Funktion überprüft werden können. Ein entsprechender Funktionstest sollte nicht nur einmalig, zu Beginn der Inbetriebnahme ausgeführt werden, sondern wiederholt werden können. Bei galvanischer Trennung der Überwachungsschaltungen gegen Speichermasse müsste ein solcher Test einzeln für jede Speichereinheit bzw. die zugehörige
Überwachungsschaltung separat ausgeführt werden. Zum Testen wären z.B. weitere galvanisch entkoppelte Anschlüsse der Überwachungsschaltungen erforderlich.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine
Überwachungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die den Aufwand für die Überwachung der Speichereinheiten reduziert, zuverlässige Überwachungsergebnisse ermöglicht und vorzugsweise ohne erheblichen Zusatzaufwand einen wiederholten Funktionstest der Überwachungsschaltungen ermöglicht.
Ein Grundgedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, die
Überwachungsschaltungen, die jeweils eine Speichereinheit auf Überspannung überwachen, so miteinander zu koppeln, dass ein von einer Überwachungsschaltung erzeugtes Fehlersignal, das eine Überspannung der zugeordneten überwachten
Speichereinheit anzeigt, einer benachbarten Überwachungsschaltung zugeführt wird, die eine in der Reihenfolge der Reihenschaltung der Speichereinheiten benachbarte
Speichereinheit überwacht. Das der benachbarten Überwachungsschaltung zugeführte Fehlersignal löst in dieser ein Fehlersignal aus, auch wenn die von ihr überwachte Speichereinheit keine Überspannung aufweist. Sofern es sich bei der benachbarten Überwachungsschaltung nicht um die letzte Überwachungsschaltung in der Reihenfolge handelt, wird das von ihr erzeugte Fehlersignal wiederum an eine benachbarte
Überwachungsschaltung weitergeleitet und löst in dieser wiederum ein Fehlersignal aus. Diese Kaskade von miteinander gekoppelten Überwachungsschaltungen setzt sich bis zu der letzten Überwachungsschaltung in der Reihenfolge der Überwachungsschaltungen fort. Daher erzeugt eine Überspannung in einer beliebigen Speichereinheit des
Energiespeichers, die von der zugeordneten Überwachungsschaltung festgestellt wird, ein Fehlersignal in der Kaskade der Überwachungsschaltung, das letztendlich zu einem Fehlersignal in der letzten Überwachungsschaltung führt. Dabei wird das Fehlersignal innerhalb der durch die Kaskade gebildeten Reihenfolge der Überwachungsschaltungen immer zu der in einer vorgegebenen Richtung der Reihenfolge benachbarten Überwachungsschaltung weitergeleitet. Dabei gibt es Ausgestaltungen der Erfindung, bei der diese vorgegebene Richtung der Weiterleitung der Fehlersignale die Richtung ansteigender elektrischer Potenziale der zu überwachenden Energiespeicher ist und es gibt andere Ausgestaltungen, bei denen die Richtung der Weiterleitung der Fehlersignale der Richtung sich reduzierender elektrischer Potenziale der zu überwachenden
Energiespeichereinheiten entspricht. In jedem Fall gilt, dass die Reihenschaltung der Energiespeichereinheiten zu einer Reihenschaltung der zugeordneten
Überwachungsschaltungen führt, wobei die Stelle einer bestimmten
Energiespeichereinheit in der Reihenfolge der Energiespeichereinheiten die gleiche Stelle ist, die die zugeordnete Überwachungsschaltung in der Reihenfolge der
Überwachungsschaltungen hat.
Um das Fehlersignal innerhalb der Kaskade bzw. Reihenfolge der
Überwachungsschaltungen zu der letzten Überwachungsschaltung in der Reihenfolge weiterzuleiten, benötigt die erste Überwachungsschaltung in der Reihenfolge keinen Signaleingang, über den sie ein Fehlersignal oder entsprechendes Signal empfangen kann, das ein Fehlersignal in ihr auslöst. Ein solcher Signaleingang der ersten
Überwachungsschaltung in der Reihenfolge wird aber zum Testen der Funktionsfähigkeit der Überwachungsanordnung bevorzugt. Ist ein solcher Signaleingang vorhanden, der als Testsignaleingang bezeichnet werden kann, kann ein Testsignal zu der ersten
Überwachungsschaltung zugeführt werden, das darin ein Fehlersignal auslöst, welches zu der nächst benachbarten Überwachungsschaltung übertragen wird und dort wiederum ein Fehlersignal auslöst usw., bis die letzte Überwachungsschaltung in der Reihenfolge ein Fehlersignal produziert und ausgibt. Dieses durch das Testsignal ausgelöste Fehlersignal der letzten Überwachungsschaltung kann dazu genutzt werden zu erkennen, dass der Funktionstest erfolgreich war, d.h. jede der Überwachungsschaltungen in der Lage ist, ein Fehlersignal zu produzieren und weiterzuleiten.
Vorzugsweise weist jede der Überwachungsschaltungen eine Schaltungseinheit oder Gruppe von Schaltungseinheiten auf, die das Fehlersignal produziert. Der Signaleingang, über den die Überwachungsschaltungen das Fehlersignal bzw. Testsignal von der in der Reihenfolge vorangehenden Überwachungsschaltungen empfangen, ist vorzugsweise (z.B. unmittelbar) mit einem Eingang dieser Signalerzeugungseinheit oder Gruppe von Signalerzeugungseinheiten verbunden. In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dieser Einheit um einen Komparator, insbesondere mit Verstärkerfunktion. Hierauf wird noch näher eingegangen. Ein entsprechendes Bauteil ist z.B. ein
Operationsverstärker, der so in die Überwachungsschaltung integriert ist, dass er als Komparator und vorzugsweise mit Verstärkungsfunktion funktioniert. Es ist alternativ jedoch auch möglich, eine komplexere integrierte Schaltung oder eine andere Gruppe von Bauteilen zur Erzeugung des Fehlersignals zu verwenden. Dabei kann das Fehlersignal der benachbarten, vorangehenden Überwachungsschaltung unmittelbar dem Eingang der Einheit oder Gruppe von Einheiten zur Erzeugung des Fehlersignals zugeführt werden, oder es kann an anderer Stelle in die Überwachungsschaltung eingekoppelt werden. Auf Beispiele wird noch näher eingegangen.
In jedem Fall führt jedoch sowohl die Einkopplung eines Fehlersignals aus der benachbarten, vorangehenden Überwachungsschaltung als auch eine Überspannung der zugeordneten, zu überwachenden Speichereinheit zu einem Fehlersignal der
Überwachungsschaltung. Allerdings müssen die Fehlersignale in diesen beiden verschiedenen Fällen nicht exakt gleich sein. Es kommt nur darauf an, dass beide Fehlersignale von der wiederum nächst benachbarten, nachgeordneten
Überwachungsschaltung als Fehlersignal genutzt werden kann, das wiederum ein Fehlersignal auslöst oder im Fall der letzten Überwachungsschaltung als
Gesamtfehlersignal der Überwachungsanordnung erkannt wird. Vorzugsweise werden die Fehlersignale in beiden Fällen aber von derselben Schaltungseinheit oder Gruppe von Schaltungseinheiten erzeugt.
Die Erfindung betrifft ferner eine einzelne Überwachungsschaltung zur Überwachung einer einzelnen Speichereinheit, wobei diese Überwachungsschaltung vorzugsweise zu der erfindungsgemäßen Kaskade von Überwachungsschaltungen, d.h. zu der
Überwachungsanordnung mit weiteren Exemplaren der Überwachungsschaltung, kombiniert ist. Bevorzugt wird, dass die in der Kaskade verwendeten
Überwachungsschaltungen alle von demselben Typ sind. Zwingend erforderlich ist dies jedoch nicht.
Die einzelne Überwachungsschaltung zeichnet sich durch die folgenden Merkmale aus, die einzeln oder in Kombination bei der Überwachungsschaltung realisiert sein können:
- Die Überwachungsschaltung weist einen Signalausgang auf, über den ein
Fehlersignal ausgegeben werden kann. Wenn eine Überspannung in der zugeordneten zu überwachenden Speichereinheit auftritt, erzeugt die
Überwachungsschaltung ein Fehlersignal, das über den Signalausgang ausgegeben wird. Die Ausgabe des Fehlersignals selbst ist dabei nicht als ein zwingenderweise aktiv gesteuerter Vorgang zu verstehen. Vielmehr kann die Überspannung das an dem Signalausgang vorliegende Fehlersignal aufgrund der Eigenschaften der Überwachungsschaltung auslösen, ohne dass es einer zusätzlichen Logik bedarf, die entscheidet, ob das Fehlersignal tatsächlich ausgegeben wird. Die Verwendung einer solchen Logik ist jedoch denkbar.
Beispielsweise würde es eine solche Logik erlauben, zu bestimmten Zeiten die Ausgabe eines Fehlersignals zu sperren, etwa wenn der Energiespeicher nicht betrieben wird.
Die Überwachungsschaltung weist eine Einheit oder eine Gruppe von Einheiten auf, die ausgestaltet ist, das Fehlersignal zu erzeugen. Vorzugsweise, wie bereits erwähnt, handelt es sich bei der Einheit oder Gruppe von Einheiten um einen Komparator, d.h. um eine Einheit oder Gruppe, die zwei Eingangssignale miteinander vergleicht und abhängig davon das Fehlersignal erzeugt oder nicht erzeugt. Die Einheit oder Gruppe weist einen Ausgang auf, der mit dem
Signalausgang verbunden ist oder identisch mit diesem ist.
Insbesondere in dem vorangegangenen Fall eines Komparators wird das
Fehlersignal abhängig davon erzeugt, ob eine Ausgangsspannung eines
Spannungsteilers ein bestimmtes, vordefiniertes Kriterium erfüllt. Daher weist die Überwachungsschaltung insbesondere einen solchen Spannungsteiler auf, der mit seinen einander gegenüberliegenden endseitigen Anschlüssen der zu
überwachenden Energiespeichereinheit parallel geschaltet ist. Besonders bevorzugt wird es, dass die Überwachungsschaltung eine
Referenzspannungseinheit aufweist, die an einem Ausgang der Einheit ein Referenzpotenzial auf einer vorgegebenen oder vorbestimmten Höhe erzeugt, wenn an einem Eingang der Referenzspannungseinheit ein bestimmtes, vorgegebenen oder vorbestimmtes elektrisches Potenzial anliegt. Das Potenzial am Eingang der Einheit kann z.B. das Potenzial an einem Anschluss der
Überwachungsschaltung sein, über dem die Überwachungsschaltung mit der zu überwachenden Energiespeichereinheit verbunden ist. Alternativ kann es sich bei dem Potenzial am Eingang der Referenzspannungseinheit um ein vorgegebenes oder vorbestimmtes Potenzial einer in der Reihenfolge der
Überwachungsschaltungen benachbarten Überwachungsschaltung handeln.
Dabei kann sich dieses Potenzial der benachbarten Überwachungsschaltung optional abhängig von dem Betriebszustand ändern. Insbesondere kann sich das Potenzial abhängig davon ändern, ob die benachbarte Überwachungsschaltung ein Fehlersignal erzeugt oder nicht erzeugt oder abhängig davon ändern, ob die benachbarte Überwachungsschaltung ein Fehlersignal von einer wiederum benachbarten Überwachungsschaltung empfängt oder nicht empfängt.
Vorzugsweise jedoch ist das Potenzial am Eingang der Referenzspannungseinheit lediglich von dem Betriebszustand der zu überwachenden Energiespeichereinheit, einer dieser Energiespeichereinheit unmittelbar benachbarten
Energiespeichereinheit und/oder einer der Überwachungsschaltung unmittelbar benachbarten Überwachungsschaltung abhängig. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass am Ausgang der Referenzspannungseinheit immer ein definiertes, vorgegebenes oder vorbestimmtes Referenzpotenzial anliegt, welches zwar optional mehrere verschiedene Niveaus haben kann, jedoch für die
Erzeugung des Fehlersignals innerhalb der Überwachungsschaltung nutzbar ist. Dabei ist der Wert des Potenzials am Ausgang der Referenzspannungseinheit, falls keine der benachbarten Überwachungsschaltungen, von dem das Potenzial abhängt, ein Fehlersignal produziert, so vorgegeben oder vorbestimmt, dass das Ausgangspotenzial als Bezugspotenzial für die Erzeugung des Fehlersignals durch die Überwachungsschaltung nutzbar ist. Insbesondere kann dieses
Bezugspotenzial von der Einheit oder Gruppe von Einheiten zur Erzeugung des Fehlersignals genutzt werden. Z.B. kann das Bezugspotenzial ein Eingangssignal des Komparators sein. Das andere Eingangssignal des Komparators kann in diesem Fall insbesondere die Ausgangsspannung bzw. das Ausgangspotenzial des oben erwähnten Spannungsteilers sein. Als Referenzspannungseinheit kommen insbesondere eine Zenerdiode, eine andere Kombination von
Halbleiterbauteilen und/oder eine integrierte Schaltung infrage. Elektrische Bauteile mit der Eigenschaft, bei Anliegen eines bestimmten, vorgegebenen oder vorbestimmten Bezugspotenzials am Eingang der Einheit ein entsprechendes vorgegebenes oder vorbestimmtes Ausgangspotenzial am Ausgang der Einheit zu produzieren, sind im Handel erhältlich und werden hier nicht näher beschrieben. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer einzelnen Überwachungsschaltung zur Überwachung einer Energiespeichereinheit, insbesondere ein Verfahren, mit dem die oben beschriebene Überwachungsschaltung in einer ihrer Ausgestaltungen betrieben wird.
Bezüglich des Verfahrens zum Überwachen eines Energiespeichers mit elektrisch in Reihe geschalteten Speichereinheiten wird insbesondere Folgendes vorgeschlagen: Jede der Speichereinheiten wird unter Verwendung einer zugeordneten
Überwachungsschaltung auf Überspannung überwacht. Unter Überspannung wird insbesondere ein vorgegebener oder vorbestimmter (insbesondere durch die elektrischen Eigenschaften der Überwachungsschaltung vorgegebener) Spannungswert verstanden, der auch als Schwellwert oder Grenzwert bezeichnet werden kann und der überschritten wird, wenn an den entgegengesetzten Anschlüssen der zu überwachenden
Energiespeichereinheit eine entsprechend hohe Spannung abfällt. Beginnend mit einer der Überwachungsschaltungen, nämlich eine Überwachungsschaltung, die eine
Überspannung der von ihr überwachten Speichereinheit feststellt,
a) wird ein Fehlersignal an eine benachbarte Überwachungsschaltung ausgegeben, die eine zugeordnete in der Reihenfolge der Reihenschaltung benachbarte Speichereinheit überwacht,
b) löst das von der benachbarten Überwachungsschaltung empfangene Fehlersignal in der benachbarten Überwachungsschaltung ein Fehlersignal aus,
c) werden die Schritte a) und b) so lange wiederholt, bis in einer am Ende der
Reihenfolge der Reihenschaltung angeordneten letzten Überwachungsschaltung, die die in der Reihenfolge der Reihenschaltung letzte Speichereinheit überwacht, ein Fehlersignal ausgelöst wird,
d) wird das von der letzten Überwachungsschaltung erzeugte Fehlersignal als
Fehlersignal für das Vorliegen eines Fehlers des Energiespeichers ausgegeben.
Bei dem Fehlersignal handelt es sich um das Signal, das anzeigt, dass eine
Überspannung von der Überwachungsschaltung festgestellt wurde oder ein Fehlersignal von der Überwachungsschaltung von einer benachbarten Überwachungsschaltung empfangen wurde.
Vorzugsweise wird die Funktionsfähigkeit der Überwachungsschaltungen überprüft, indem eine am Anfang der Reihenfolge der Reihenschaltung angeordneten ersten Überwachungsschaltung (d.h. der Überwachungsschaltung, die die erste Speichereinheit in der Reihenfolge der Reihenschaltung der Speichereinheiten überwacht) ein Prüfsignal zugeführt wird, das in der ersten Überwachungsschaltung ein Fehlersignal auslöst, so dass die Schritte a) bis d) der oben genannten Aufzählung ausgeführt werden, wobei jedoch das von der letzten Überwachungsschaltung erzeugte Fehlersignal als Signal einer erfolgreichen Überprüfung der Funktionsfähigkeit interpretiert wird.
Ferner wird Folgendes vorgeschlagen: Überwachungsanordnung zum Überwachen eines Energiespeichers, der eine Mehrzahl von Speichereinheiten aufweist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei
• die Überwachungsanordnung eine Mehrzahl von Überwachungsschaltungen
aufweist, die jeweils eine der Mehrzahl von Speichereinheiten auf Überspannung überwacht,
• jede der Überwachungsschaltungen einen Fehlersignalausgang aufweist,
• jede der Überwachungsschaltungen, mit Ausnahme der ersten
Überwachungsschaltung, die die in der Reihenfolge der Reihenschaltung erste Speichereinheit überwacht, einen Signaleingang aufweist, der mit dem
Fehlersignalausgang der in der Reihenfolge der Reihenschaltung vorangehenden Überwachungsschaltung verbunden ist,
• jede der Überwachungsschaltungen ausgestaltet ist, bei einer Überspannung der von ihr überwachten zugeordneten Speichereinheit und/oder bei Empfang eines Fehlersignals an dem Signaleingang ein Fehlersignal zu erzeugen, das über den Fehlersignalausgang ausgegeben wird.
Vorzugsweise weist auch die erste Überwachungsschaltung, die die in der Reihenfolge der Reihenschaltung erste Speichereinheit überwacht, einen Signaleingang auf, über den ein Testsignal zu der ersten Überwachungsschaltung zuführbar ist, so dass bei einwandfreier Funktionsfähigkeit der Überwachungsanordnung am Fehlersignalausgang der in der Reihenfolge der Reihenschaltung letzten Überwachungsschaltung ein
Fehlersignal anliegt, das die einwandfreie Funktionsfähigkeit bestätigt.
Vorzugsweise weist zumindest eine der Überwachungsschaltungen eine
Referenzspannungsquelle und einen Komparator auf, der mit einem Ausgangspotenzial der Referenzspannungsquelle und einem Überwachungspotenzial verbunden ist, das von der zu überwachenden Spannung der zugeordneten Speichereinheit abhängt, wobei ein Ausgang des Komparators mit dem Fehlersignalausgang verbunden ist. Bei der
Referenzspannungsquelle handelt es sich insbesondere um die oben erwähnte
Referenzspannungseinheit. Bei dem Komparator handelt es sich vorzugsweise um einen Komparator mit den oben beschriebenen Eigenschaften und Eingängen bzw. Ausgängen. Auch wurde oben bereits an Beispielen beschrieben, wie der Komparator mit anderen Elementen der Überwachungsschaltung verbunden sein kann. Wenn hier der Begriff Referenzspannungsquelle verwendet wird, schließt dies grundsätzlich die Möglichkeit mit ein, dass die Quelle (wie z.B. eine Batterie) elektrische Energie erzeugt. Vorzugsweise handelt es sich bei der Referenzspannungsquelle jedoch um eine
Referenzspannungseinheit, die selbst keine elektrische Energie erzeugt. Aber auch die oben bereits näher beschriebene Referenzspannungseinheit kann durch eine
Referenzspannungsquelle ersetzt werden, die in der Lage ist, elektrische Energie zu erzeugen.
Ferner wird es bevorzugt, dass der Komparator zum Zweck seiner Energieversorgung mit Anschlüssen verbunden ist, zwischen denen eine elektrische Spannung anliegt. Diese Spannung wird abgeleitet aus der Spannung der zu überwachenden Speichereinheit, d.h. entweder ist diese Spannung die Spannung der zu überwachenden Speichereinheit oder sie ist von ihr gebildet, z.B. durch einen Spannungsteiler. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass die Speichereinheit auf Überspannung zu überwachen ist und daher in dem zu überwachenden Fall immer eine Spannung zur Versorgung des Komparators zur Verfügung steht. Würde anstelle des Komparators eine andere Einheit oder Gruppe von Einheiten verwendet, die dazu dient, das Fehlersignal zu erzeugen, gilt diese Art der Spannungsversorgung vorzugsweise auch dafür entsprechend.
Vorzugsweise ist der Komparator oder die andere Art der Bauteile zur Signalerzeugung als Verstärker ausgestaltet, der bei Bestehen einer Überspannung der zugeordneten Speichereinheit die entsprechende zwischen dem Ausgangspotenzial der
Referenzspannungsquelle und dem Überwachungspotenzial bestehende Spannung verstärkt und die verstärkte Spannung oder ein entsprechendes elektrisches Potenzial als Fehlersignal über den Ausgang ausgibt. Die Verstärkung hat den Vorteil, dass ein eindeutiges Signal als Fehlersignal erzeugt wird. Durch andere Einflüsse erzeugte Schwankungen oder Dämpfungen der Spannung bzw. des elektrischen Potenzials am Eingang des Verstärkers werden durch Verstärkung ausgeglichen so dass das Signal am Eingang in einem gewissen Bereich schwanken darf, ohne dass die Qualität des
Ausgangssignals darunter leidet. Insbesondere erfährt das Signal in jeder der in Reihe geschalteten Überwachungsschaltung eine Auffrischung. Durch dieses Auffrischen wird verhindert, dass das Fehlersignal, das von einer Stufe zur nächsten weitergeleitet wird, sich nicht soweit abschwächt, dass die Weiterschaltung ab einem bestimmten unteren Signalpegel nicht mehr funktioniert. Die Dämpfung des Signals von einem Ausgang einer Überwachungsstufe bis zum Eingang der nächsten in Reihe liegenden
Überwachungsstufe ist jedoch so gering, dass eine eindeutige Erkennung immer möglich ist, in dieser Weise kann die Überwachungsschaltung ausgelegt werden.
Insbesondere kann ein Eingangspotenzial der Referenzspannungsquelle, das als Bezugspotenzial für die von der Referenzspannungsquelle erzeugte Referenzspannung dient, ein Potenzial sein, das eindeutig durch ein an einem Anschluss der zu
überwachenden Speichereinheit anliegendes Potenzial bestimmt ist. Auf Alternativen, nämlich die Definition des Eingangspotenzials der Referenzspannungsquelle durch einen Zustand einer benachbarten Überwachungsschaltung, wurde bereits eingegangen.
Das Überwachungspotenzial am Eingang des Komparators kann insbesondere durch einen Spannungsteiler gebildet sein, der mit seinen einander gegenüberliegenden Anschlüssen mit den Anschlüssen der zugeordneten Speichereinheit verbunden ist, so dass er der Speichereinheit parallel geschaltet ist.
Zum Umfang der Erfindung gehört auch die erfindungsgemäße Überwachungsschaltung in einer ihrer hier beschriebenen Ausgestaltungen in Kombination mit dem
Energiespeicher, d.h. die Überwachungsschaltung und der überwachte Energiespeicher sind Gegenstand der Erfindung.
Das Verfahren zum Prüfen der Funktionsfähigkeit der Überwachungsschaltung wird vorzugsweise wiederholt während des Betriebes des Energiespeichers und/oder in Phasen, in denen der Energiespeicher nicht genutzt wird, ausgeführt. Dazu sollte der Energiespeicher allerdings geladen sein, da die Überwachungsschaltungen in der bevorzugten Ausgestaltung ihre Energieversorgung aus dem Speicher selbst beziehen.
Der Signalausgang der letzten Überwachungsschaltung in der Reihenfolge ist vorzugsweise galvanisch von Anschlüssen entkoppelt, an denen eine externe Einrichtung angeschlossen ist, um das Fehlersignal zu detektieren bzw. zu erkennen. Im Fall des Funktionstests ist vorzugsweise auch der Signaleingang der in der Reihenfolge der Überwachungsschaltungen ersten Überwachungsschaltung galvanisch gegen Anschlüsse entkoppelt, über die das Testsignal zum Testen der Funktionsfähigkeit der Anordnung eingegeben bzw. ausgelöst wird. Zur galvanischen Entkopplung eignen sich in beiden Fällen z.B. Relais. Das Relais kann selbst die Potenzialtrennung bewirken. Alternativ oder zusätzlich wird z.B. mittels eines Trenntransformators und Brückengleichrichters die benötigte Energie für das Relais übertragen. Es sind selbstverständlich auch noch andere Ausgestaltungen möglich.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass aufgrund der Kaskadierung der einzelnen
Überwachungsschaltungen zu einer Überwachungsanordnung, in der sich ein
Fehlersignal innerhalb der Kaskade bis zu einem Ausgang der Anordnung fortpflanzt, jede Überwachungsschaltung ohne direkte Verbindung zu einem gemeinsamen
Bezugspotenzial aller Überwachungsschaltungen (z.B. Speichermasse) betrieben werden kann. Insbesondere kann jede Überwachungsschaltung auf dem Potenzialniveau der zu überwachenden Speichereinheit betrieben werden. Auch die Versorgung aktiver
Bauelemente der Überwachungsschaltung ist außerdem durch die Spannung der zu überwachenden Speichereinheit auf diesem Potenzialniveau möglich. Lediglich über die Signalausgänge und Signaleingänge benachbarter Überwachungsschaltungen sind diese verbunden. Da die Potenzialdifferenzen zwischen den benachbarten
Überwachungsschaltungen aber nicht sehr groß sind, führt dies nicht wie bei einem gemeinsamen Bezugspotenzial aller Überwachungsschaltungen zu den am Anfang beschriebenen Problemen. Ferner kann die Anordnung durch einen einzigen zusätzlichen Signaleingang an der ersten Überwachungsschaltung in der Reihenfolge getestet werden. Dabei wird dieselbe Signalkette innerhalb der Kaskade, die die von den
Überwachungsschaltungen erzeugten Fehlersignale nutzt, verwendet, die auch für die Ausgabe eines Überspannungs-Fehlersignals aus der Anordnung zu externen
Einrichtungen genutzt wird. Da bei Eingabe eines Testsignals au ßerdem die gesamte Kette der in Reihe miteinander verbundenen Überwachungsschaltungen genutzt wird, wird bei dem Test auch die Funktion sämtlicher Überwachungsschaltungen überprüft. Lediglich das Ansprechen der einzelnen Überwachungsschaltungen auf eine
Überspannung der jeweils zugeordneten zu überwachenden Speichereinheit wird durch den Funktionstest nicht überprüft. Bei Verwendung passiver Bauteile, mit Ausnahme des Bauteils zur Erzeugung des Fehlersignals, ist es aber unwahrscheinlich, dass sich ein Arbeitspunkt (z.B. die für das Auslösen des Fehlersignals gewählte Schwelle der
Überspannung) wesentlich ändert. Im Übrigen wird auch der Einfluss der passiven Bauteile auf die aktive Komponente (z.B. den Komparator) bei der Fortpflanzung der Fehlersignale innerhalb der Kaskade mitgeprüft. Würde ein Widerstand z.B. des
Spannungsteilers an der Eingangsseite des Komparators wesentlich verändert sein, wäre auch die Weiterleitung des Fehlersignals innerhalb der Kaskade betroffen oder würde permanent ein Fehlersignal am Ausgang der Kaskade vorliegen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Überwachungsschaltung zur
Überwachung einer einzelnen Speichereinheit,
Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Überwachungsschaltung, ähnlich der Überwachungsschaltung in Fig. 1 , wobei jedoch die Anordnung der Referenzspannungseinheit verändert ist,
Fig. 3 ein Beispiel für eine Überwachungsanordnung mit einer Reihenschaltung der Überwachungsschaltung vom Typ, der in Fig. 1 dargestellt ist, wobei außerdem der Energiespeicher mit der Reihenschaltung der Speichereinheiten dargestellt ist,
Fig. 4 eine Anordnung ähnlich der in Fig. 3, wobei jedoch die Signalausgänge und Signaleingänge der einander benachbarten
Überwachungsschaltungen derart geändert sind, dass sich die Fehlersignale nicht wie in Fig. 3 dargestellt von unten nach oben, sondern von oben nach unten durch die Kaskade fortpflanzen,
Fig. 5 ein weiteres Beispiel für eine Überwachungsschaltung ähnlich der in Fig. 1 , wobei der eingangsseitige Anschluss der Referenzspannungseinheit den Eingangssignaleingang für den Empfang des Fehlersignals von der benachbarten Überwachungsschaltung bildet, und
Fig. 6 eine Überwachungsschaltung wie in Fig. 2, wobei jedoch der
ausgangsseitige Anschluss der Referenzspannungseinheit den Signaleingang zum Empfang des Fehlersignals von der benachbarten Überwachungsschaltung bildet.
Fig. 1 zeigt eine Überwachungsschaltung 2 zur Überwachung einer Speichereinheit eines Energiespeichers, wobei die Speichereinheit eine Reihenschaltung von Kondensatoren 3a, 3b aufweist. Die einander gegenüberliegenden Anschlüsse der Reihenschaltung der Kondensatoren 3a, 3b sind über Anschlüsse 1 a, 1 b an die Überwachungsschaltung 2 angeschlossen. Der Anschluss 1 a ist über einen ersten Widerstand 7 und eine
Referenzspannungseinheit 5 mit dem Anschluss 1 b verbunden. Der erste Widerstand 7 und die Referenzspannungseinheit 5 sind daher in Reihe geschaltet. Ein
Verbindungspunkt zwischen dem ersten Widerstand 7 und der Referenzspannungseinheit 5 ist mit einem ersten Eingang, der mit "-" bezeichnet ist, eines Komparators 10 verbunden. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Komparator um einen Operationsverstärker. Im Ausführungsbeispiel handelt es sich ferner bei der
Referenzspannungseinheit 5 um eine Zenerdiode. Dabei ist die Zenerdiode so gepolt, dass die Diodendurchflussrichtung von dem auf niedrigerem Potenzial gelegenen
Anschluss 1 b über den ersten Widerstand 7 zu dem auf höherem elektrischem Potenzial gelegenen Anschluss 1 a führt. Daher fließt permanent ein Strom entgegen der
Diodendurchflussrichtung durch die Zenerdiode und führt zu einem konstanten
Spannungsabfall über die Zenerdiode. Daher befindet sich der Verbindungspunkt zwischen dem ersten Widerstand 7 und der Referenzspannungseinheit 5 immer auf demselben elektrischen Potenzial, solange der Strom durch die Zenerdiode bzw. die Einheit 5 fließt und solange sich das elektrische Potenzial an dem Anschluss 1 b nicht ändert. Allgemeiner ausgedrückt fällt immer dieselbe Spannung über die
Referenzspannungseinheit 5 ab, solange der Strom durch die Zenerdiode entgegen der Durchflussrichtung fließt. Daher ist der erste Anschluss des Komparators 10 auf einem konstanten, fest vorgegebenen bzw. vorbestimmten elektrischen Potenzial bzw. relativ zu dem Potenzial am Anschluss 1 b auf einem fest vorgegebenen höheren Potenzialniveau.
Parallel zu der Reihenschaltung des ersten Widerstandes 7 und der
Referenzspannungseinheit 5 ist ein Spannungsteiler zwischen die Anschlüsse 1 a, 1 b geschaltet, der in dem Ausführungsbeispiel aus zwei Widerständen besteht, dem zweiten Widerstand 8 und dem dritten Widerstand 9. Ein Punkt zwischen dem zweiten und dritten Widerstand 8, 9 ist mit dem zweiten Eingang des Komparators 10 verbunden, der mit "+" bezeichnet ist. Dieser Punkt zwischen den Widerständen 8, 9 und damit auch der zweite Anschluss des Komparators 10 ist mit dem Signaleingang 1 1 a der
Überwachungsschaltung 2 verbunden. Ferner ist der Signalausgang des Komparators 10 über einen vierten Widerstand 12 mit dem Signalausgang 1 1 b der
Überwachungsschaltung 2 verbunden. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Polarität des Komparators so gewählt, dass der Ausgang des Komparators das obere Spannungsniveau annimmt (maximal das Spannungsniveau des Anschlusses 1 a), wenn Spannung der zu
überwachenden Speichereinheit einen Grenzwert überschreitet. Der Grenzwert bestimmt sich aus der konstanten Spannung, die über die Referenzspannungsquelle 5 abfällt, und aus der Dimensionierung der Widerstände 8, 9 des Spannungsteilers.
Der Komparator 10 wird über Stromversorgungsanschlüsse mit Energie versorgt, wobei die Stromversorgungsanschlüsse den Komparator 10 mit den Anschlüssen 1 a, 1 b verbinden. Dies bedeutet, dass der Komparator 10 von der Spannung versorgt wird, die über die zu überwachende Speichereinheit abfällt. Der vierte Widerstand 12 ist ein Widerstand, der für die Kaskadierung, d.h. für die Reihenschaltung der
Überwachungsschaltungen von dem in Fig. 1 dargestellten Typ, benötigt wird. Er wird daher auch als Kaskadierwiderstand bezeichnet. Auf die Funktion der Reihenschaltung der Überwachungsschaltungen wird noch anhand von Fig. 3 und Fig. 4 eingegangen. Der Signalausgang 1 1 b kann auch als Kaskadierausgang bezeichnet werden. Ferner kann der Signaleingang 1 1 a als Kaskadiereingang bezeichnet werden.
Es sind zahlreiche Abwandlungen der in Fig. 1 dargestellten Überwachungsschaltung möglich, ohne die grundsätzliche Funktion der Überwachungsschaltung zu
beeinträchtigen. Darauf wird noch näher eingegangen. Insbesondere kann auch bei der in Fig. 1 dargestellten Überwachungsschaltung die Zenerdiode durch eine andere
Referenzspannungseinheit ersetzt werden und kann anstelle des Operationsverstärkers ein anderer Komparator oder eine Komparatorschaltung eingesetzt werden. Anstelle der Zenerdiode 5 kann z.B. eine integrierte Schaltung eingesetzt werden, die auf dem Markt handelsüblich erhältlich ist. Der erste Widerstand 7 wird vorzugsweise so gewählt, dass ein sehr kleiner Stromfluss von dem Anschluss 1 a über den ersten Widerstand 7 und die Referenzspannungseinheit 5 zu dem zweiten Anschluss 1 b fließt, um die
Referenzspannung zu erzeugen, die über die Referenzspannungseinheit 5 abfällt. Auch die Widerstände 8, 9 des Spannungsteilers werden vorzugsweise so gewählt, dass nur ein kleiner Stromfluss von dem Anschluss 1 a über den Spannungsteiler zu dem
Anschluss 1 b führt.
Die Funktion der in Fig. 1 dargestellten Überwachungsschaltung 2 ist wie folgt: Liegt an dem Kaskadiereingang 1 1 a kein Fehlersignal an und fällt über die Reihenschaltung der Kondensatoren 3a, 3b keine Überspannung ab, befindet sich das elektrische Potenzial am zweiten mit "+" bezeichneten Eingang des Komparators 10 auf einem Niveau unterhalb des Niveaus des ersten Anschlusses des Komparators 10. Am Ausgang des Komparators 10 liegt daher ein elektrisches Potenzial an, das auf niedrigerem Spannungspegel liegt, etwa auf dem Niveau des Anschlusses 1 b.
Steigt die Spannung, die über die Reihenschaltung der Kondensatoren 3a, 3b abfällt, an, erhöht sich auch das Niveau des elektrischen Potenzials an dem zweiten Anschluss des Komparators 10. Wird dabei das Potenzial am zweiten Anschluss des Komparators 10 über das Niveau des Potenzials am ersten Anschluss des Komparators 10 angehoben, schaltet der Komparator 10 das elektrische Potenzial an seinem Signalausgang auf das höhere Spannungsniveau um bzw. verstärkt die nun positive Spannung zwischen dem zweiten und ersten Eingang des Komparators 10 um einen Verstärkungsfaktor, d.h. die entsprechend verstärkte Spannung liegt zwischen dem Signalausgang des Komparators und dem Niveau des Anschlusses 1 b an.
Besteht zwar keine Überspannung an den Kondensatoren 3a, 3b, empfängt aber die Überwachungsschaltung 2 an ihrem Kaskadiereingang 1 1 a ein Fehlersignal, nämlich ein erhöhtes elektrisches Potenzial, führt dies ebenfalls dazu, dass das elektrische Potenzial an dem zweiten Eingang des Komparators 10 über dem elektrischen Potenzial an dem ersten Eingang des Komparators 10 liegt. Wiederum wird die Eingangsspannung verstärkt und das entsprechend höhere Potenzial über den Signalausgang des Komparators 10 ausgegeben.
Bei Erhöhung des Potenzials an dem Signalausgang des Komparators 10 erhöht sich auch das elektrische Potenzial an dem Kaskadierausgang 1 1 b.
Die in Fig. 2 dargestellte Variante 22 der Überwachungsschaltung 2 aus Fig. 1
unterscheidet sich lediglich dadurch, dass die Referenzspannungseinheit 5 und der erste Widerstand 7 vertauscht sind. Ferner müssen die Widerstandswerte der Widerstände 8, 9 des Spannungsteilers und die über die Referenzspannungseinheit 5 abfallende
Referenzspannung so gewählt sein, dass der Komparator 10 lediglich im Fall einer Überspannung und im Fall eines an seinem Kaskadiereingang 1 1 a anliegenden
Fehlersignal ein Fehlersignal an dem Kaskadierausgang 1 1 b anliegt. Ansonsten unterscheidet sich die Überwachungsschaltung 22 nicht von der Überwachungsschaltung 2 gemäß Fig. 1 . Daher sind auch dieselben Bezugszeichen für die gleichen oder einander entsprechenden Elemente verwendet. Dies gilt auch für die weiteren Figuren.
Fig. 3 zeigt eine Kaskade von Überwachungsschaltungen, die jeweils eine
Speichereinheit auf Überspannung überwachen. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Überwachungsschaltungen um den in Fig. 1 dargestellten Typ. Es könnte jedoch stattdessen auch der in Fig. 2 dargestellte Typ in der Kaskade verwendet werden, ohne die Anordnung bezüglich ihrer Verbindungen zwischen den Überwachungsschaltungen zu ändern. Denkbar ist auch eine Kaskade, bei der einzelne Überwachungsschaltungen vom Typ gemäß Fig. 1 und andere
Überwachungsschaltungen vom Typ gemäß Fig. 2 sind. Dabei ist jedoch darauf zu achten, dass ein Fehlersignal einer in der Reihenfolge der Überwachungsschaltungen vorangehenden Überwachungsschaltung ein Fehlersignal der nachfolgenden
Überwachungsschaltung in der Kaskade auslöst. Insbesondere sind die
Widerstandswerte der Spannungsteiler und/oder die über die
Referenzspannungseinheiten abfallenden Spannungen in den Überwachungsschaltungen entsprechend zu wählen.
Fig. 3 zeigt lediglich drei der Überwachungsschaltungen der Kaskade und die jeweils von der Überwachungsschaltung auf Überspannung überwachte Speichereinheit. Die erste Überwachungsschaltung 2a ist oben in Fig. 3 dargestellt. Ihr Kaskadiereingang 1 1 a hat die Funktion eines Signaleinganges für ein Testsignal. Das Testsignal wird in dem in Fig.
3 dargestellten Beispiel durch Schließen eines Schalters 39 eines Relais 42 bewirkt. Dabei ist die Spule 38 des Relais 42 galvanisch von dem Schalter 39 getrennt. Wird die Spule 38 über die Anschlusskontakte 37a, 37b mit Strom versorgt, so dass ein Magnetfeld der Spule 38 das Schließen des Schalters 39 bewirkt, wird der erste
Überwachungsanschluss 1 a mit dem Kaskadiereingang 1 1 a der Überwachungsschaltung 2a kurzgeschlossen. Dies löst das Umschalten des Signalpegels am Ausgang des Komparators 10 der Überwachungsschaltung 2a von niedrigem Potenzialpegel auf hohen Potenzialpegel aus, da durch das Kurzschließen die gesamte über die von der
Überwachungsschaltung 2a überwachte Speichereinheit abfallende Spannung nun an dem zweiten Widerstand 9 des Spannungsteilers abfällt und daher der zweite Eingang des Komparators 10 auf höherem Potenzial liegt als der erste Eingang. Der dem Schalter 39 parallel geschaltete Widerstand 40 dient dazu, den Arbeitspunkt am Eingang des Komparators 10 der ersten Überwachungsschaltung 2a in gleicher weise einzustellen wie die Arbeitspunkte an den Eingängen der anderen Überwachungsschaltungen 2, 2b.
Bevor jedoch der Test auf Funktionsfähigkeit näher beschrieben wird, wird noch der weitere Aufbau der Überwachungsanordnung und des Speichers beschrieben. Die von der ersten Überwachungsschaltung 2a überwachte Speichereinheit weist in dem
Ausführungsbeispiel wiederum zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren 13a, 13b auf. Es könnte sich jedoch auch um Batteriezellen oder andere Speicherzellen handeln. Auch könnte die Zahl der Zellen, die miteinander in Reihe geschaltet sind und die
Speichereinheit bilden, anders sein. Über die Überwachungsanschlüsse 1 a, 1 b ist die Überwachungsschaltung 2a mit den gegenpoligen Seiten der Reihenschaltung der Kondensatoren 13a, 13b verbunden. Da es sich bei der Überwachungsschaltung 2a um die erste Überwachungsschaltung in der Reihe der Überwachungsschaltungen, d.h. in der Kaskade, handelt, ist auch die überwachte Speichereinheit mit den Kondensatoren 13a, 13b die erste Speichereinheit in der Reihenfolge der in Reihe geschalteten
Speichereinheiten des Speichers. Der Speicher hat die elektrischen Anschlüsse 35a auf hohem Potenzial und 35b auf niedrigem Potenzial. Beim Betrieb des Speichers kann z.B. eine Spannung von typischerweise ca. 1 .000 Volt über die Anschlüsse 35a, 35b abfallen.
Die nächste Überwachungsschaltung 2 in der Reihenfolge der Überwachungsschaltungen der Anordnung ist mit ihrem Kaskadiereingang 1 1 a an den Kaskadierausgang 1 1 b der ersten Überwachungsschaltung 2a angeschlossen. Diese zweite Überwachungsschaltung 2 ist mit ihren Überwachungsanschlüssen 1 a, 1 b an die zweite Speichereinheit mit den in Reihe geschalteten Kondensatoren 3a, 3b angeschlossen. Diese Reihenschaltung der Kondensatoren 3a, 3b ist in Reihe zu der Speichereinheit mit den Kondensatoren 13a, 13b geschaltet.
Die dritte Überwachungsschaltung sowie die dritte Speichereinheit, die in der Reihenfolge der Überwachungsschaltung bzw. Speichereinheit auf die zweite Überwachungsschaltung bzw. zweite Speichereinheit folgen, sowie alle weiteren in der Reihenfolge folgenden Überwachungsschaltung bzw. Speichereinheiten sind in Fig. 3 nicht explizit dargestellt, mit Ausnahme der letzten Überwachungsschaltung 2b und der von ihr überwachten Speichereinheit mit der Reihenschaltung der Kondensatoren 23a, 23b. Die nicht im Detail dargestellten Überwachungsschaltungen und Speichereinheiten sind lediglich durch unterbrochene Linien, die in Fig. 3 in vertikaler Richtung verlaufen, angedeutet. Z.B. sind 50 oder 100 Überwachungsschaltungen und Speichereinheiten in Reihe geschaltet. Denkbar ist im Unterschied zu Fig. 3, dass die Speichereinheiten eine unterschiedliche Zahl von Speicherzellen haben.
Die letzte Überwachungsschaltung 2b ist mit ihrem Kaskadiereingang 1 1 a an die nicht im Detail dargestellte vorletzte Überwachungsschaltung angeschlossen, nämlich an deren Kaskadierausgang 1 1 b. Mit ihrem Kaskadierausgang 1 1 b ist die letzte
Überwachungsschaltung 2b an eine Spule 32 eines weiteren Relais 43 angeschlossen. Der andere Anschluss der Spule 32 ist mit dem zweiten Überwachungsanschluss 1 b der letzten Überwachungsschaltung 2b kurzgeschlossen. Das Relais 43 weist ferner einen Schalter 33 auf, der bei Bestromung der Spule 32 des Relais 43 geschlossen ist und ansonsten geöffnet ist. Im geschlossenen Zustand wird dies über die Anschlusskontakte 34a, 34b des Schalters 33 detektiert, z.B. indem über die Anschlusskontakte 34a, 34b eine Spannung abfällt, die bei geschlossenem Schalter 33 zu einem Stromfluss führt. Auf diese Weise kann das durch die Kaskade der Überwachungsschaltungen fortgepflanzte Testsignal erkannt werden. Anders ausgedrückt bedeutet das Schließen des Schalters 33, dass der Funktionstest der Überwachungsanordnung erfolgreich war.
Wie bereits beschrieben, wird der Funktionstest durch Bestromung der Spule 38 des ersten Relais 42 erreicht. Es wird der Schalter 39 geschlossen und wie beschrieben liegt als Folge davon am Ausgang des Komparators 10 der ersten Überwachungsschaltung 2a der hohe Signalpegel an. Dieser hohe Signalpegel ist aufgrund der Tatsache, dass der Komparator 10 über die Überwachungsanschlüsse 1 a, 1 b mit seiner Betriebsspannung versorgt wird, ungefähr auf dem gleichen Potenzialniveau wie der erste
Überwachungsanschluss 1 a der ersten Überwachungsschaltung 2a, d.h. auf dem Potenzialniveau des Anschlusses 35a des Speichers.
Aufgrund der Verbindung der ersten Überwachungsschaltung 2a über deren
Kaskadierausgang 1 1 b mit dem Kaskadiereingang 1 1 a der zweiten
Überwachungsschaltung 2 liegt nun am zweiten, mit "+" bezeichneten Eingang des Komparators 10 der zweiten Überwachungsschaltung 2 ein höherer Spannungspegel an als bei niedrigem Signalausgangspegel des Komparators 10 der ersten
Überwachungsschaltung 2a. Dabei ist der Kaskadierwiderstand 12 der ersten
Überwachungsschaltung 2a so gewählt, dass das Eingangspotenzial am zweiten Signaleingang der zweiten Überwachungsschaltung 2 über dem Potenzial am ersten, mit "-" bezeichneten Signaleingang des Komparators 10 der zweiten Überwachungsschaltung 2 liegt. Der Komparator 10 der zweiten Überwachungsschaltung 2 verstärkt diese positive Spannung an seinen Signaleingängen, so dass an seinem Ausgang wiederum, wie bei der ersten Überwachungsschaltung 2a, ein Potenzial auf hohem Signalpegel, etwa auf dem Niveau seines ersten Überwachungsanschlusses 1 a, anliegt.
In gleicher Weise wie für die Kombination der ersten Überwachungsschaltung 2a und der zweiten Überwachungsschaltung 2 pflanzt sich nun dieses Test-Fehlersignal (nämlich das Ausgangssignal des Komparators 10 auf hohem Spannungspegel) zu der dritten
Überwachungsschaltung fort usw.
Im Ergebnis wird durch die Fortpflanzung des Test-Fehlersignals von der vorletzten, in Fig. 3 nicht im Detail dargestellten Überwachungsschaltung ein hoher Spannungspegel über den Kaskadiereingang 1 1 a auf den zweiten Signaleingang des Komparators 10 der letzten Überwachungsschaltung 2b angelegt. Daher erzeugt auch dieser Komparator 10 ein Ausgangssignal auf hohem Spannungspegel. Über seinen Kaskadierwiderstand 12 fällt daher gegen seinen zweiten Überwachungsanschluss 1 b eine Spannung ab, so dass die Spule 32 des Relais 43 bestromt wird und den Schalter 33 wie beschrieben schließt. Funktionieren alle Überwachungsschaltungen insoweit einwandfrei, dass sie den hohen Spannungspegel am Ausgang des Komparators 10 erzeugen, läuft der Funktionstest erfolgreich ab. Ist jedoch z.B. ein einziger der Komparatoren 10 defekt und liefert nicht das Ausgangssignal auf dem hohen Spannungspegel oder ist z.B. ein elektrischer Kontakt zwischen zwei benachbarten Überwachungsschaltungen nicht oder nur über einen erhöhten Widerstand hergestellt, durchläuft das Test-Fehlersignal nicht die gesamte Kaskade der Überwachungsschaltungen und erzeugt daher zumindest der Komparator 10 der letzten Überwachungsschaltung 2b nicht das Ausgangssignal auf hohem Signalpegel. Daher wird die Spule 32 des Relais 43 nicht oder nicht ausreichend bestromt, so dass der Schalter 33 nicht geschlossen wird.
Eine Überwachungsanordnung wie in Fig. 3 dargestellt könnte auch ohne die Relais 42, 43 und ohne einen anderen Anschluss zum Test der Funktionsfähigkeit realisiert werden. In diesem Fall könnte kein Funktionstest ausgeführt werden. Solange die Anordnung aber einwandfrei funktioniert, könnten die Überwachungsschaltungen zumindest ihre
Überwachung der zugeordneten Speichereinheit auf Überspannung ausführen. Z.B.
könnte die Spannung über die Reihenschaltung der Kondensatoren 3a, 3b wie bereits anhand von Fig. 1 beschrieben erhöht sein, so dass der Komparator 10 der Überwachungsschaltung 2 an seinem Ausgang ein Potenzial auf hohem Signalpegel erzeugt. Dieses Fehlersignal würde sich in entsprechender Weise wie für den
Funktionstest bereits beschrieben durch die Kaskade fortpflanzen und es würde an dem Signalausgang des Komparators 10 der letzten Überwachungsschaltung 2b wiederum ein Potenzial auf hohem Signalpegel anliegen. Dieses Ausgangssignal würde als Fehlersignal zum Anzeigen eines Fehlers des überwachten Speichers interpretiert.
Dieses Fehlersignal könnte wiederum mit dem Relais 43 detektiert werden. In diesem Fall, falls die Anordnung keinen Funktionstest erlauben soll, wäre also lediglich das Relais 42 weggelassen, nicht aber das Relais 43. Eine Potenzialtrennung (d.h. galvanische Trennung) am Ausgang der letzten Überwachungsschaltung gegen die
Auswertungseinrichtung, wie sie in dem Beispiel von Fig. 3 durch das Relais 43 realisiert ist, ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da sich das Potenzial des Ausgangssignals der letzten Überwachungsschaltung 2b gemessen an der über den gesamten Speicher abfallenden Spannung auf sehr geringem Potenzialniveau befindet und der
Überwachungsanschluss 1 b der letzten Überwachungsschaltung 2b z.B. geerdet sein kann. Eine derartige galvanische Trennung wird jedoch dennoch bevorzugt, da auf diese Weise gewährleistet sein kann, dass die Auswertungseinrichtung, die z.B. elektronische Bauteile aufweist, von dem Speicher getrennt ist, der mit sehr starken Ladeströmen geladen werden kann und entsprechend starken Entladeströmen entladen werden kann.
Wie Fig. 4 zeigt, kann die Fortpflanzung des Fehlersignals auch in der umgekehrten Reihenfolge der Überwachungsschaltungen durch die Kaskade stattfinden. "Umgekehrt" bezieht sich hier auf die Reihenschaltung der zu überwachenden Speichereinheiten, die gleich der Reihenschaltung in Fig. 3 ist. Dagegen sind die Überwachungsschaltungen zwar vom gleichen Typ wie in Fig. 3. Ihre Verschaltung miteinander ist jedoch anders. Der Signalausgang des Komparators 10 ist über den Kaskadierwiderstand 12 nicht mit dem Kaskadiereingang der benachbarten Überwachungsschaltung verbunden, die die
Speichereinheit auf dem nächst niedrigeren Potenzialniveau überwacht, sondern mit dem Kaskadiereingang 1 1 b der Überwachungsschaltung verbunden, die die Speichereinheit auf dem nächst höheren Potenzialniveau des Speichers überwacht. Dabei sind die über die Referenzspannungseinheit 5 bereitgestellte Referenzspannung, die Widerstände des Spannungsteilers und der Kaskadierwiderstand 12 so aufeinander abgestimmt, dass ein Signal auf hohem Signalpegel am Signalausgang der in der Reihenfolge der Überwachungsschaltung vorangehenden Überwachungsschaltung ebenfalls einen hohen Signalpegel am Signalausgang der folgenden Überwachungsschaltung auslöst.
Im Übrigen unterscheidet sich die Anordnung in Fig. 4 lediglich dadurch, dass in den Relais die Spulen und Schalter vertauscht sind sowie die Anschlüsse der Relais an die erste 2a und letzte 2b Überwachungsschaltung verändert sind. Zum Zuführen des Testsignals zu der ersten Überwachungsschaltung 2b, die im Fall der Fig. 4 die
Speichereinheit mit den in Reihe geschalteten Kondensatoren 23a, 23b überwacht, wird das Relais 53 genutzt. Die Anschlüsse 34a, 34b dienen zum Zuführen des Testsignals durch Bestromung der Spule 32 des Relais 53. Bei Bestromung der Spule 32 wird der Schalter 33 geöffnet. Da die Anschlüsse des Schalters 33 mit dem zweiten
Überwachungsanschluss 1 b und dem Kaskadiereingang 1 1 a der ersten
Überwachungsschaltung 2b verbunden sind, wird durch Öffnen des Schalters 33 das elektrische Potenzial an dem Plus-Eingang des Komparators 10 erhöht, da der
Mittelabgriff des Spannungsteilers 2b nun weniger nach Minus gezogen wird. Dies löst das Ausgangssignal auf hohem Signalpegel aus, das sich durch die Kaskade fortpflanzt. Allerdings wird das elektrische Potenzial an dem zweiten Überwachungsanschluss 1 b nicht unverändert auf den zweiten Eingang des Komparators 10 geführt, da in Reihe zu dem Schalter 33 ein Widerstand 41 geschaltet ist. Dies dient dazu, den Arbeitspunkt am Plus-Eingang des Komparators 10 der ersten Überwachungsschaltung 2a bei
geschlossenem Schalter 33 in gleicher Weise einzustellen wie die Arbeitspunkte an den Eingängen der anderen Überwachungsschaltungen 2, 2b.
Am Kaskadierausgang 1 1 b der letzten Überwachungsschaltung 2a liegt bei Fortpflanzung des Test-Fehlersignals oder des Fehlersignals aufgrund einer Überspannung einer der Speichereinheiten ein Potenzial auf dem hohen Signalpegel an. Der Kaskadierausgang 1 1 b der letzten Überwachungseinrichtung 2a ist mit der Spule 38 des Relais 52 verbunden. Der andere Anschluss der Spule 38 ist mit dem zweiten
Überwachungsanschluss 1 b der letzten Überwachungsschaltung 2b verbunden. Bei hohem Signalpegel am Ausgang des Komparators 10 der letzten Überwachungsschaltung 2a fließt daher ein Strom durch die Spule 38 des Relais 52, der zum Schließen des Schalters 39 führt, so dass an den Anschlüssen 37a, 37b am Relaisausgang 52 dieser Zustand detektiert werden kann. Die Ausführungsbeispiele der Fig. 3 und Fig. 4 zeigen das Prinzip, wonach sich je nach Ausgestaltung der Kaskade der Überwachungsschaltungen das Fehlersignal von niedrigerem zu höherem Potenzial fortgepflanzt werden kann oder umgekehrt. Anders ausgedrückt kann die Reihenfolge der Überwachungsschaltungen so gewählt werden, dass die erste Überwachungsschaltung auf dem höchsten Potenzialniveau des Speichers liegt, d.h. auf dem Potenzialniveau der Speichereinheit mit dem höchsten Potenzial, oder auf dem Potenzialniveau der Speichereinheit mit dem niedrigsten Potenzial des Speichers liegt.
An den in Fig. 3 und Fig. 4 dargestellten Überwachungsanordnungen können jedoch noch weitere Modifikationen vorgenommen werden. Insbesondere können andere Typen von Überwachungsschaltungen eingesetzt werden. Auf solche weiteren Typen wird noch anhand der Fig. 5 und Fig. 6 eingegangen. Das Prinzip dieser anderen Typen von Überwachungsschaltungen unterscheidet sich von dem Prinzip der
Überwachungsschaltungen von Fig. 1 und Fig. 2 dadurch, dass nicht ein Wechsel des Ausgangssignalpegels von niedrigerem Potenzialniveau auf hohes Potenzialniveau das Fehlersignal darstellt, sondern umgekehrt ein Wechsel von dem hohen Potenzialniveau auf das niedrige Potenzialniveau am Ausgang der Überwachungsschaltung das
Fehlersignal bildet. In den Fällen der Fig. 5 und Fig. 6 wird dies dadurch erreicht, dass gegenüber Fig. 1 und Fig. 2 die Polarität des Komparators gewechselt wird und au ßerdem die Anschlüsse des Kaskadiereingangs an die ansonsten sehr ähnliche
Schaltungsanordnung verändert sind.
In Fig. 5 und Fig. 6 sind gleiche Typen von Schaltungselementen, die jedoch anders dimensioniert sein können, dennoch mit den gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 und Fig. 2 bezeichnet. Die Überwachungsschaltung 42 in Fig. 5 weist wie die
Überwachungsschaltung 2 in Fig. 1 einen Spannungsteiler mit den Widerständen 8, 9 auf, wobei die entgegengesetzten Anschlüsse des Spannungsteilers wiederum mit den Überwachungsanschlüssen 1 a, 1 b der Überwachungsschaltung 42 verbunden sind. Auch ist wiederum ein Punkt zwischen den Widerständen 8, 9 des Spannungsteilers mit dem zweiten Signaleingang des Komparators 100 verbunden. Der zweite Signaleingang ist jedoch bezüglich des ersten Signaleingangs des Komparators 100 anders gepolt. Daher ist der zweite Signaleingang in diesem Fall mit "-" bezeichnet. Der erste Signaleingang ist mit "+" bezeichnet. Parallel zu dem Spannungsteiler ist wiederum eine Reihenschaltung einer Referenzspannungseinheit 5 und eines ersten Widerstandes 7 geschaltet. Allerdings ist nur ein Anschluss dieser Reihenschaltung direkt mit einem Überwachungsanschluss der Überwachungsschaltung verbunden. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 5 ist der Anschluss der Reihenschaltung mit dem ersten Überwachungsanschluss 1 a auf dem höheren Potenzialniveau der beiden Überwachungsanschlüsse 1 a, 1 b verbunden. Dabei handelt es sich um den Anschluss der Reihenschaltung der Bauteile 5, 7, der an dem ersten Widerstand 7 liegt. Dagegen ist bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6, bei der der erste Widerstand 7 und die Referenzspannungseinheit 5 vertauscht sind, der Anschluss der Reihenschaltung, der näher an dem ersten Widerstand 7 liegt, mit dem zweiten
Überwachungsanschluss 1 b verbunden, der auf niedrigerem Potenzialniveau der beiden Überwachungsanschlüsse 1 a, 1 b liegt. Der andere Anschluss der Reihenschaltung aus erstem Widerstand 7 und Referenzspannungseinheit 5 ist als Kaskadiereingang 1 1 c (im Fall der Fig. 5) bzw. 1 1 d (im Fall der Fig. 6) ausgeführt. Im Fall der Fig. 5 bedeutet dies, dass der Kaskadiereingang 1 1 c mit dem Eingang der Referenzspannungseinheit 5 verbunden ist, der beim Betrieb der Überwachungsschaltung auf niedrigerem
Potenzialniveau liegt. Im Fall der Überwachungsschaltung 52 gemäß Fig. 6 ist der Kaskadiereingang 1 1 d mit dem Eingang der Referenzspannungseinheit 5 verbunden, der beim Betrieb der Anordnung auf dem höheren elektrischen Potenzial liegt.
Die Funktion der Überwachungsschaltung gemäß Fig. 5 ist wie folgt: Der
Kaskadiereingang 1 1 c ist mit einer benachbarten Überwachungsschaltung (nicht in Fig. 5 dargestellt) verbunden, und zwar mit deren Kaskadierausgang, wobei die benachbarte Überwachungsschaltung eine Speichereinheit überwacht, die auf niedrigerem
Potenzialniveau betrieben wird als die Kondensatoren 3a, 3b der Speichereinheit, die von der Überwachungsschaltung 42 in Fig. 5 überwacht wird. Ist diese benachbarte
Überwachungsschaltung genauso gestaltet wie die Überwachungsschaltung 42 in Fig. 5, befindet sich der Kaskadiereingang 1 1 c, der mit dem Kaskadierausgang 1 1 b der benachbarten Überwachungsschaltung verbunden ist, auf dem höheren
Signalpegelniveau des Signalausgangs der benachbarten Überwachungsschaltung, wenn kein Fehlersignal oder Test-Fehlersignal von dieser ausgegeben wird. Dieses höhere Potenzialniveau liegt etwa auf dem Potenzialniveau des in Fig. 5 unten gelegenen Anschlusses des Kondensators 3b, d.h. auf dem Potenzialniveau des zweiten
Überwachungsanschlusses 1 b der Überwachungsschaltung 42. Der Grund liegt darin, dass der Komparator der benachbarten Überwachungsschaltung mit der Spannung der Speichereinheit betrieben wird, die von der benachbarten Überwachungsschaltung überwacht wird. Daher kann der Komparator maximal etwa das Spannungsniveau am unteren Anschluss des Kondensators 3b am Signalausgang ausgeben. Abhängig von der Dimensionierung des Kaskadierwiderstandes 12 der benachbarten
Überwachungsschaltung ist das Spannungsniveau am Kaskadiereingang 1 1 c der
Überwachungsschaltung 42 gemäß Fig. 5 noch leicht niedriger als das Potenzial am Überwachungsanschluss 1 b der Überwachungsschaltung 42 in Fig. 5.
Das Spannungsniveau am Kaskadiereingang 1 1 c bestimmt das Spannungsniveau am anderen Anschluss der Referenzspannungseinheit 5, d.h. am ersten, mit "+"
bezeichneten Eingang des Komparators 100. Wenn kein Fehlersignal am
Kaskadiereingang 1 1 c anliegt, ist aufgrund der entsprechenden Wahl der Widerstände 8, 9 des Spannungsteilers das Potenzialniveau am zweiten, mit "-" bezeichneten Eingang des Komparators 100 niedriger als am ersten Eingang. Daher gibt der Komparator 100 ebenfalls als Ausgangssignal ein elektrisches Potenzial auf dem höheren Niveau aus.
Empfängt die Überwachungsschaltung 42 jedoch über ihren Kaskadiereingang 1 1 c das niedrigere Potenzialniveau, weil von der benachbarten Überwachungsschaltung ein Fehlersignal oder Test-Fehlersignal ausgegeben wird, reduziert sich das Potenzial am Eingang der Referenzspannungseinheit und damit auch am Ausgang der
Referenzspannungseinheit und am ersten Eingang des Komparators 100. Dadurch wird aufgrund der geeigneten Dimensionierung der Bauteile das Potenzialniveau am zweiten, mit "-" gekennzeichneten Signaleingang des Komparators 100 unterschritten, so dass der Komparator 100 an seinem Ausgang das Potenzial auf dem niedrigeren Potenzialniveau ausgibt. Bei entsprechender Kaskadierung, d.h. wenn der Kaskadierausgang 1 1 b mit einer weiteren Überwachungsschaltung verbunden ist, pflanzt sich daher das Fehlersignal weiter fort.
Für die in Fig. 6 dargestellte Überwachungsschaltung 52 gilt bezüglich der Funktion das gleiche wie für die Überwachungsschaltung 42 gemäß Fig. 5, wobei jedoch der
Kaskadiereingang 1 1 d mit dem Kaskadierausgang einer benachbarten
Überwachungsschaltung (nicht in Fig. 6 dargestellt) verbunden ist, die eine
Speichereinheit überwacht, welche auf höherem Potenzialniveau betrieben wird als die Kondensatoren 3a, 3b, die von der Überwachungsschaltung 52 überwacht werden. Wenn kein Fehlersignal von dieser benachbarten Überwachungsschaltung ausgegeben wird, befindet sich das Potenzialniveau am Kaskadiereingang 1 1 d auf dem höheren möglichen Spannungsniveau. In diesem Zustand fällt über die Referenzspannungseinheit die Referenzspannung ab, so dass an dem Punkt zwischen der Referenzspannungseinheit und dem ersten Widerstand 7, der mit dem ersten Signaleingang des Komparators 100 verbunden ist, ein höheres Potenzial anliegt als an dem zweiten, mit "-" bezeichneten Signaleingang des Komparators 100. Schaltet die benachbarte Überwachungsschaltung dagegen an ihrem Signalausgang auf das niedrigere Potenzial um, d.h. es wird ein Fehlersignal ausgegeben, erniedrigt sich auch das Potenzial am Eingang der
Referenzspannungseinheit 5 und damit auch am Ausgang der Referenzspannungseinheit 5 und ebenfalls am ersten, mit "+" bezeichneten Signaleingang des Komparators 100. Dadurch fällt dieses Potenzial unter das Potenzial am zweiten, mit "-" bezeichneten Signaleingang des Komparators 100, wodurch dieser am Ausgang auf das niedrigere Potenzial umschaltet. Wiederum kann dieses Filtersignal weiter kaskadiert werden.
Um die Fortpflanzung des Fehlersignals in der Richtung von oben nach unten in Fig. 3 zu erreichen, könnte die Überwachungsschaltung in Fig. 3 vom Typ der
Überwachungsschaltung in Fig. 5 sein. Um die Fortpflanzungsrichtung in Fig. 4 zu erzielen, könnte die Überwachungsschaltung vom Typ der in Fig. 6 dargestellten
Überwachungsschaltung 52 sein.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Überwachen eines Energiespeichers, der eine Mehrzahl von
Speichereinheiten (3, 13, 23) aufweist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei jede der Speichereinheiten (3, 13, 23) unter Verwendung einer zugeordneten Überwachungsschaltung (2, 2a, 2b) auf Überspannung überwacht wird, wobei beginnend mit einer der Überwachungsschaltungen (2, 2a, 2b), die eine
Überspannung der von ihr überwachten Speichereinheit feststellt,
a) ein Fehlersignal an eine benachbarte Überwachungsschaltung (2, 2b)
ausgegeben wird, die eine zugeordnete in der Reihenfolge der Reihenschaltung benachbarte Speichereinheit (3, 23) überwacht,
b) das von der benachbarten Überwachungsschaltung (2, 2b) empfangene
Fehlersignal in der benachbarten Überwachungsschaltung (2, 2b) ein Fehlersignal auslöst,
c) die Schritte a) und b) solange wiederholt werden, bis in einer am Ende der Reihenfolge der Reihenschaltung angeordneten letzten
Überwachungsschaltung (2b), die die in der Reihenfolge der Reihenschaltung letzte Speichereinheit (23) überwacht, ein Fehlersignal ausgelöst wird, und d) das von der letzten Überwachungsschaltung (2b) erzeugte Fehlersignal als Fehlersignal für das Vorliegen eines Fehlers des Energiespeichers ausgegeben wird.
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Funktionsfähigkeit der Überwachungsschaltungen (2, 2a, 2b) überprüft wird, indem einer am Anfang der Reihenfolge der Reihenschaltung angeordneten ersten Überwachungsschaltung (2a), die die in der Reihenfolge der Reihenschaltung erste Speichereinheit (13) überwacht, ein Prüfsignal zugeführt wird, das in der ersten Überwachungsschaltung (2a) ein Fehlersignal auslöst, sodass die Schritte a) bis d) gemäß Anspruch 1 ausgeführt werden, wobei jedoch das von der letzten Überwachungsschaltung (2b) erzeugte Fehlersignal als Signal einer erfolgreichen Überprüfung der
Funktionsfähigkeit interpretiert wird.
3. Überwachungsanordnung zum Überwachen eines Energiespeichers, der eine
Mehrzahl von Speichereinheiten (3, 13, 23) aufweist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, wobei • die Überwachungsanordnung eine Mehrzahl von Überwachungsschaltungen (2, 2a, 2b) aufweist, die jeweils eine der Mehrzahl von Speichereinheiten (3, 13, 23) auf Überspannung überwacht,
• jede der Überwachungsschaltungen (2, 2a, 2b) einen Fehlersignalausgang
aufweist,
• jede der Überwachungsschaltungen (2, 2a, 2b), mit Ausnahme der ersten
Überwachungsschaltung (2a), die die in der Reihenfolge der Reihenschaltung erste Speichereinheit überwacht, einen Signaleingang (1 1 a) aufweist, der mit dem Fehlersignalausgang (1 1 b) der in der Reihenfolge der Reihenschaltung vorangehenden Überwachungsschaltung (2, 2a) verbunden ist,
• jede der Überwachungsschaltungen (2, 2a, 2b) ausgestaltet ist, bei einer
Überspannung der von ihr überwachten zugeordneten Speichereinheit (3, 13, 23) und/oder bei Empfang eines Fehlersignals an dem Signaleingang (1 1 a) ein Fehlersignal zu erzeugen, das über den Fehlersignalausgang (1 1 b)
ausgegeben wird.
4. Anordnung nach den vorhergehenden Anspruch, wobei die erste
Überwachungsschaltung (2a), die die in der Reihenfolge der Reihenschaltung erste Speichereinheit (13) überwacht, einen Signaleingang (1 1 a) aufweist, über den ein Testsignal zu der ersten Überwachungsschaltung (2a) zuführbar ist, sodass bei einwandfreier Funktionsfähigkeit der Überwachungsanordnung am
Fehlersignalausgang (1 1 b) der in der Reihenfolge der Reihenschaltung letzten Überwachungsschaltung (2b) ein Fehlersignal anliegt, das die einwandfreie
Funktionsfähigkeit bestätigt.
5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine der Überwachungsschaltungen (2, 2a, 2b) eine Referenzspannungsquelle (5) und einen Komparator (10) aufweist, der mit einem Ausgangspotenzial der
Referenzspannungsquelle (5) und einem Überwachungspotenzial verbunden ist, das von der zu überwachenden Spannung der zugeordneten Speichereinheit abhängt, und wobei ein Ausgang des Komparators (10) mit dem Fehlersignalausgang (1 1 b) verbunden ist.
6. Anordnung nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Komparator (10) zum Zweck seiner Energieversorgung mit Anschlüssen (1 a, 1 b) verbunden ist, zwischen denen eine elektrische Spannung anliegt, die aufgrund der zu überwachenden Spannung der Speichereinheit (3, 13, 23) besteht.
7. Anordnung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der
Komparator (10) als Verstärker ausgestaltet ist, der bei Bestehen einer
Überspannung der zugeordneten Speichereinheit (3, 13, 23) die entsprechende zwischen dem Ausgangspotenzial der Referenzspannungsquelle (5) und dem Überwachungspotenzial bestehende Spannung verstärkt und die verstärkte
Spannung oder ein entsprechendes elektrisches Potenzial als Fehlersignal über den Ausgang ausgibt.
8. Anordnung nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei ein
Eingangspotenzial der Referenzspannungsquelle (5), das als Bezugspotenzial für die von der Referenzspannungsquelle (5) erzeugte Referenzspannung dient, ein Potenzial ist, das eindeutig durch ein an einem Anschluss der zu überwachenden Speichereinheit (3, 13, 23) anliegendes Potenzial bestimmt ist.
9. Anordnung nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Überwachungspotenzial durch einen Spannungsteiler (7, 8) gebildet wird, der mit seinen einander gegenüberliegenden Anschlüssen mit den Anschlüssen (1 a, 1 b) der zugeordneten Speichereinheit (3, 13, 23) verbunden ist, so dass er der
Speichereinheit (3, 13, 23) parallel geschaltet ist.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Überwachungsschaltungen (2, 2a, 2b) jeweils an die zugeordnete zu überwachende Speichereinheit (3, 13, 23) angeschlossen sind.
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