WO2021185518A1 - Schutzvorrichtung für ein an eine schnittstelle angeschlossenes elektronisches bauteil - Google Patents

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electrical
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Mickael Segret
Holger Wernerus
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • Protection device for an electronic device connected to an interface
  • the present invention relates to a protective device for an electronic component connected to an interface.
  • the invention also relates to a method for operating a protective device for an electronic component connected to an interface.
  • electrochemical energy carriers for example battery cells.
  • a type that is currently frequently used is the lithium-ion cell, which combines good energy and power density.
  • Common designs are round cells, prism cells or pouch cells.
  • Battery packs are known in which a temperature sensor is mounted on a flexible circuit board, and this circuit board is pressed against a cell with an elastic element. This supports the fact that the temperature sensor is thermally connected as closely as possible to a cell.
  • a sensor that changes its ohmic resistance as a function of the temperature is often used as the temperature sensor. If this resistance becomes smaller at a higher temperature, it is called an NTC (negative temperature coefficient).
  • this temperature sensor is located in the battery pack, but in a device system with a replaceable battery pack, it is measured and evaluated by the charger or discharging electrical device. This measurement is typically carried out by applying a voltage across a series resistor to the temperature sensor, and measuring and evaluating the voltage drop across the series resistor and temperature sensor.
  • Fig. 10 shows an electrical energy store 300 in the form of a battery pack with a few cells 301 a ... 301 d, which are connected via an interface 200 to an administrative device 400 (e.g. charger).
  • an administrative device 400 e.g. charger
  • a monitoring device 40 in the form of electronics for monitoring individual cell voltages should be built into the battery pack. So that the battery pack is not discharged by the monitoring device 40 in the idle state, it is usual that the monitoring device 40 is only switched on when the battery pack is in operation, for example when a voltage is applied to the NTC temperature sensor 30.
  • Fuses can also be used to limit the electrical current in the event of a fault. These convert part of the flowing electrical current into thermal energy through resistance and voltage drop, which melts a conductive material and thus interrupts the flow of electrical current. In principle, the lower the rated current that triggers this, the higher the resistance must be.
  • Another way to limit electrical current is to use a transistor in conjunction with a resistor as a power source. A flowing current counteracts the control voltage of the transistor through a voltage drop across the resistor, so that an equilibrium and thus a defined electrical current is established. Is known, as shown in Fig. 11, a monitoring device 40 with integrated th circuits, which is used to monitor operating conditions within the electrical energy storage device 300's.
  • the measuring contact 203 to which the electronic component 30 in the form of the NTC temperature sensor is connected, can, contrary to its determination, be connected to the positive pole 201 of the electrical energy store 300 (e.g. by metal particles). Since the monitoring device 40 switches on and incorrectly recognizes a normal operating state (electrical voltage at the temperature sensor 30). Since the voltage is not applied to the temperature sensor 30 via a series resistor, but rather directly, the current is limited only by the resistance of the NTC temperature sensor 30. The NTC temperature sensor 30 is heated by the converted power, which leads to a lower NTC resistance and in turn to more converted power (positive feedback or vicious circle).
  • the NTC temperature sensor Since the NTC temperature sensor is in close thermal contact with the cells 301a ... 301 d, a hot spot arises at the corresponding cell 301a ... 301 d, which can lead to a thermal imbalance and disadvantageously accelerate the electrical energy storage 300 lets age.
  • Disclosure of the invention It is an object of the present invention to provide an improved protective device for a protective element.
  • the object is achieved with a protective device for an electronic component connected to an interface, comprising: a compensating element connected in series with the electronic component; wherein the compensation element has a positive temperature coefficient of its electrical resistance and wherein the compensation element is connected to a pole of an electrical energy store via the interface; wherein the electronic component and the compensation element are thermally coupled to each other.
  • the object is achieved with a method for producing a protective device for an electronic component connected to an interface, an electrical energy storage device being connected to the interface, comprising the steps:
  • An advantageous development of the proposed protective device provides that the electronic component is an NTC or a coding resistor. In this way, different types of electronic components can advantageously be protected by means of the proposed protective device.
  • An advantageous development of the proposed protective device provides that the thermal coupling is provided by a defined spatial proximity or by a connection via an electrical conductor track and / or by a defined heat transfer resistance between the component and the compensation element. As a result, different ways of providing the thermal coupling are advantageously possible.
  • Another advantageous development of the proposed protective device is characterized in that the thermal coupling between the electronic component and the compensation element is such that the compensation element is triggered by heating the electronic component. In this way, the PTC can develop its current-limiting effect when the NTC warms up.
  • the electronic component is used for a temperature measurement, the electronic component and the compensation element being coordinated with one another in terms of their temperature responses in such a way that a temperature measurement is not significantly falsified in a relevant temperature measurement range , whereby outside the relevant temperature measuring range, the compensating element has a defined high resistance.
  • the relevant temperature measurement range is between approx. -20 ° C and approx. + 80 ° C. This advantageously defines a relevant temperature measurement range for the protective device, which functions to protect a component functioning as a temperature sensor.
  • an equilibrium temperature of the electronic component and the compensating element is such that at the maximum operating voltage of an electrical energy storage device, cells of the electrical energy storage device are not endangered.
  • the weight temperature depends on the intersection of the gradients of the characteristic lines of the component to be protected and the compensation element.
  • a further advantageous development of the proposed protective device is characterized in that a temperature measurement error due to the resistance measurement of the electronic component and compensation element is defined in a maximally defined manner in the entire temperature working range of the electrical energy store.
  • a resistance value of the compensating element is defined to be small compared to a resistance value of the component to be protected. This also advantageously minimizes a disruptive effect of the compensating element for the component functioning as a temperature sensor.
  • an error in the temperature measurement caused by the compensating element is no greater than 5%, in particular no greater than 1%.
  • Another advantageous development of the proposed protective device is characterized in that the electronic component and the compensation element are coupled with a thermally conductive material. This supports efficient thermal coupling between the electronic component and the compensation element.
  • the electronic component and the compensation element are designed as SMD components, the electronic component and the compensation element having at least one common copper surface designed for heat transfer.
  • the electronic component and the compensation element having at least one common copper surface designed for heat transfer.
  • Disclosed device features result analogously from corresponding disclosed method features and vice versa. This means in particular that features, technical advantages and designs relating to the protective device result in an analogous manner from corresponding designs, features and advantages of the method for producing a protective device for an electronic component connected to an interface, and vice versa.
  • Fig. 2 shows a first embodiment of a proposed Schutzvor direction
  • Fig. 3 shows a further embodiment of a proposed Schutzvor direction
  • Fig. 4 shows a further embodiment of a proposed Schutzvor direction
  • Fig. 5 shows a further embodiment of a proposed Schutzvor direction
  • FIG. 6 shows a basic sequence of a method for operating a proposed protective device
  • Fig. 7 is a block diagram of a further embodiment of a proposed protection device
  • 16 shows a flow chart with a method for operating a protective device for an electronic component connected to an interface.
  • a core idea of the present invention is the provision of a protection device for an electronic component that is connected to an electrical interface and is to be protected.
  • the electrical current through the electronic component is detected and, if necessary, switched off with a switching device that is advantageously already present.
  • the electronic component to be protected can also be bypassed so that a high electrical current can trigger a fuse with a high rated current and, as a result, a low resistance.
  • the proposed protective device it is possible to protect circuit parts which are connected and can be connected to an electrical interface, such as portable power tools, battery packs and the like.
  • the proposed protective device has at least one sensor (current or voltage sensor) which can disconnect the connected electronic component or the connected circuit with high resistance.
  • “high-resistance” is understood to mean a state in which there is no damage to the electronic component or the electronic assembly or no or only very little energy conversion occurs.
  • “high resistance” can be understood to mean an increase in the total resistance by at least a factor of 3, particularly advantageously by at least a factor of 20, based on a nominal resistance.
  • an electrical current flow through the electronic component or the electronic assembly is sufficiently limited for this purpose. If the "high-resistance" disconnection is no longer necessary, the electronic component or circuit part can be reconnected (self-resetting) or the impedance can be reduced.
  • a monitoring device compares the information with at least one well-defined value and generally initiates a “high-resistance” disconnection when it is exceeded, whereby an overshoot can occur, for example, when the information supplied by the sensor leaves or exceeds a suitable and customary operating range.
  • a major advantage of the proposed protective device is, in particular, that the electronic component to be protected or the electronic assembly to be protected (e.g. a battery pack) is separated before a harmful rise in temperature occurs.
  • a first family of variants of the proposed protective device provides for a measurement of the electrical voltage at the interface.
  • the electronic component e.g. NTC or coding resistor
  • the electronic circuit group is disconnected with high resistance from the interface and / or a common reference potential (e.g. ground).
  • latch no latching circuit (“latch”) is necessary, since the electrical voltage does not decrease after switching off due to the increase in impedance.
  • the electrical voltage usually remains constant or even increases after the electronic component or the electronic assembly has been switched off. Therefore, as a rule, only a small or no hysteresis is necessary for the proposed protective device.
  • FIG. 1 shows a block diagram of a proposed protective device 100 for an electrical interface 200 to which an electronic component 30 to be protected (e.g. an NTC or a coding resistor) is connected.
  • a monitoring device 40 can be seen, which functionally cooperates with a voltage detection device 10, a current detection device 20 and an electronic switch 50.
  • the proposed protective device 100 for the interface 200 to switch off the electronic component 30 to be protected or the assembly to be protected from the interface 200 with high resistance in the event of a fault and to switch it back on to the interface 200 after the fault has ceased.
  • an electrical voltage is fed in at a connection of the electronic component 30 to be protected in the form of an NTC, e.g. via a short circuit made possible by metal dust.
  • the electrical voltage and the impedance are usually not fully known.
  • the NTC resistance drops rapidly, whereby, for example, the electrical current can rise from originally approximately 10 mA to approximately 21 mA to approximately 100 mA.
  • the NTC resistance drops rapidly, whereby, for example, the electrical current can rise from originally approximately 10 mA to approximately 21 mA to approximately 100 mA.
  • the NTC is very hot (e.g. 100 Ohm for an NTC, whose resistance at room temperature is 6.8 kOhm)
  • up to 100mA can be achieved at 10V terminal voltage at the interface 200, which is, for example, a load limit of a switch-off MOS-FET.
  • electrical voltages greater than approx. 10V should be prevented at the interface 200, whereby an electrical activation voltage can be significantly higher.
  • a voltage measurement at the input of the electronic component 30 to be protected is proposed for the first embodiment variant family.
  • a very high-resistance tapping of an electrical voltage with a comparator or a MOS-FET is provided, as a result of which a very rapid detection of the electrical voltage at the interface 200 is possible.
  • a small-signal MOS-FET with a voltage divider and / or an RC filter can also be used, which detects an excess of more than 7V at the pin of the electronic component 30 to be protected.
  • FIG. 2 shows an embodiment of a proposed protective device 100 for an electrical interface 200.
  • a circuit part which is provided for a simulation of the protective device 100 can be seen.
  • An electrical voltage V5 can be seen, which is generated in the form of an NTC due to a current flow or self-heating of the electronic component 30 to be protected.
  • the component 30 to be protected can be switched off with high resistance from the interface 200 (not shown) by means of a connection “gate”.
  • a resistance R12 represents, for example, metal dust, which causes an electrical short circuit between the component 30 to be protected and a voltage source VCC_Bat.
  • a shunt R17 By means of a shunt R17, the electrical current through the electronic component 30 can be measured by means of an electrical voltage drop, with an electronic switch 50 in the form of a MOS-FET being able to be switched by means of the “gate” connection in order to open the electronic component 30 of the electronic switch 50 to be separated from the battery voltage VCC_Bat.
  • the right-hand section of the circuit of FIG. 2 represents a discrete latch, which uses the two transistors Q3 and Q5 to simulate a thyristor which “remembers” a circuit state of the protective device 100 after the electronic component 30 has been switched off.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of a proposed protective device 100 for an electrical interface 200.
  • the connection NTC of the electronic component 30 to be protected (not shown) is connected to a voltage divider R20, R21, which in total, for example, is a Has a resistance value of maximum 1 MW.
  • the electrical voltage on the electronic component 30 to be protected is divided down and fed to a non-inverted input of a comparator K1, at whose output a transistor M3 for driving the Switching connection gate of the electronic switch 50 (not shown) to switch off the electronic component 30 (not shown) actuated.
  • a switch-on threshold is approximately 6.6 V at an operating voltage of 3.3 V
  • a switch-off threshold is approximately 0.6 V.
  • a resistor R23 is suitably dimensioned together with capacitors of the protective device 100, with particular attention being paid to that the electronic component is switched off by the interface 200 (not shown) in such a way that the electronic component is not damaged.
  • this variant of the protective device 100 is also self-resetting.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a proposed protective device 100 for an electrical interface.
  • a monitoring device 40 can be seen which is designed in the form of a Schmitt trigger and which comprises the transistors Q6, Q7.
  • An output stage of the Schmitt trigger can also be seen in the form of resistors R37, R38 and a MOSFET transistor M1 for forming suitable electrical levels.
  • the electronic component to be protected is not shown in FIG. 4.
  • an electrical voltage V_NTC on the electronic component to be protected can be detected, with a suitable dimensioning of the resistors R30-R35 achieving that a threshold of the Schmitt trigger is suitably set so that it connects a transistor M1 to the Activation of the electronic switch (not shown) to switch off the electronic component to be protected switches.
  • this variant an evaluation of the electrical voltage swing on the electronic component 30 to be protected is carried out with a discrete Schmitt trigger, with which narrow triggering thresholds can be set.
  • this variant of the protective device 100 is also self-resetting.
  • Fig. 5 shows a further embodiment of a protection device 100 for an elec trical interface, which is similar to that of the variant of Fig. 2, but in this case a constant current source R17, J1 or a current limitation with an N-channel JFET J1 and a gate -Source negative feedback is provided.
  • This variant of the proposed Schutzvor device 100 is also self-resetting or has a regulated / negative feedback mode.
  • the monitoring device 40 is preferably designed as a microcomputer, as a result of which, for example, the Schmitt trigger can be implemented in software in order to detect the fault state on the electronic component 30. Additional functions such as "auto recovery” can also be implemented in this way.
  • FIG. 6 shows a basic sequence of a method for operating a proposed protective device for an electronic component 30 connected to an interface 200.
  • step 60 electrical voltage and / or electrical current are detected on electronic component 30.
  • a step 70 the electronic component 30 is switched off from the electrical interface 200 in the event that an impermissibly high electrical voltage is applied to the electronic component 30, an impermissibly high electrical voltage being at least twice the nominal voltage is detected, in the event that an inadmissibly high electrical voltage is no longer detected on the electronic component 30, the electronic component 30 is connected to the interface 200 by means of the electronic switch 50.
  • Battery packs typically use a temperature measuring circuit to monitor the cell temperature. This is often implemented via an NTC on the side of the battery electronics, as well as a contact element via which a tool or charger with a suitable series resistor applies a supply voltage from the outside to the NTC.
  • the NTC is thermally coupled to one or more cells. The voltage at the NTC contact correlates with the resistance / temperature of the NTC.
  • the proposed protective device 100 thus comprises a single component, that is to say minimal design effort, and is inexpensive due to its simplicity and low-risk to implement.
  • a proposed protective device 100 thus comprises a compensation element 31 in the form of a component with a positive temperature coefficient (e.g. PTC), which is connected in series with the electronic component 30 (e.g. NTC) to a pole (e.g. negative pole 202) of the battery pack or a measuring contact 203 of the interface 200 is switched.
  • the compensation element 31 In the “inactive” state, ie in the absence of a short circuit at the measuring contact 203, the compensation element 31 has such a low resistance that there is no relevant influence on the temperature measurement by means of the NTC.
  • a resistance value is selected for the PTC that is small compared to the NTC resistance value in the relevant operating range.
  • switching thresholds eg overtemperature / undertemperature shutdowns
  • This equilibrium temperature is designed in such a way that there is no danger to other system components (typically battery cells of the battery pack).
  • the compensation element 31 is advantageously thermally coupled to the NTC via suitable technical measures mentioned below:
  • thermally conductive material eg thermal paste
  • This thermal coupling ensures that a minimum electrical current (“trip current”) required for “switching” (ie to achieve self-heating that drives it into a relevant high-resistance range) flows through the compensating element 31 in the form of the PTC.
  • trip current a minimum electrical current
  • the thermal coupling to the NTC means that the PTC is warm and therefore has a higher resistance even if the trip current has not yet been reached. This facilitates the component selection in the direction of low-resistance PTC components, which helps ensure that the temperature measurement is not significantly disturbed.
  • the element 30 to be protected and the compensation element 31 are advantageously matched to one another with regard to their temperature coefficient of electrical resistance. The following must be taken into account:
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a protective device 100 with contact elements and a series circuit comprising the component 30 to be protected and the compensation element 31, which are connected between a measuring contact 203 and a negative pole 202.
  • a possible short-circuit path KP between the positive pole 201 and the measuring contact 203 is indicated.
  • FIG. 8 shows an example of a resistance profile over the temperature of an NTC and PTC element which are adapted to one another according to the invention. It can be seen that the electrical resistance W of the electronic component 30 decreases with increasing temperature and falls below the resistance of the compensating element 31 at approx. 135 ° C. It can also be seen that the electrical resistance W of the compensating element 31 is essentially small compared to the resistance of the electronic component 30 and increases as the temperature rises. The equilibrium temperature that is established depends on the temperature at which the negative slope of the resistance The curve of the electronic component 30 corresponds in terms of amount to the positive slope of the resistance curve of the compensating element 31, which is also the case at approximately 135 ° C. in the example shown. Towards higher temperatures, this means an increase in the total resistance and thus a reduction in the power loss that occurs.
  • the proposed protective device 100 can advantageously also have control electronics (not shown) for evaluating the temperature measurement.
  • An electrical energy store protected with the proposed protective device 100 can advantageously be designed as a battery pack (e.g. handheld power tool battery pack).
  • a battery pack e.g. handheld power tool battery pack.
  • the compensation element 31 can be connected directly or indirectly (for example via a switch) to a pole 202, 203 of the battery pack.
  • a heat transfer resistance between the electronic component 30 and the compensating element 31 is preferably designed in such a way that a triggering of the PTC is thereby significantly promoted.
  • FIG. 9 shows a basic sequence of a proposed method for producing a protective device for an electronic component 30 connected to an interface 200, an electrical energy store being connected to the interface 200.
  • a step 80 the component 30 is connected to a pole or measuring contact 203 of the electrical energy store 300.
  • a compensating element 31 is connected in series between a pole 201, 202 of the electrical energy store and the electronic component 30 or between the electronic component 30 and a measuring contact 203, the compensating element 31 having a positive temperature coefficient of electrical resistance , and wherein the component 30 and the compensation element 31 are thermally coupled to one another.
  • Fig. 13 shows a further embodiment of a proposed protective device 100.
  • the temperature of the cells 310a ... 301 n is determined by the device outside the electrical energy storage device 300 arranged management device 400 with the aid of an electronic component 30 arranged in the electrical energy storage device 300 in the form of an NTC -Temperature sensor detected.
  • the management device 400 is only used to detect the electrical voltage at the interface 200 and is not essential to the invention, further details will not be discussed here.
  • the electronic component 30 could alternatively also be designed as a coding resistor.
  • the electrical energy store 300 also has a monitoring device 40 with electronics (e.g. a microcontroller) for monitoring the individual cells 301a ... 301d.
  • a monitoring device 40 with electronics (e.g. a microcontroller) for monitoring the individual cells 301a ... 301d.
  • the monitoring device 40 detects an error, it separates the electronic component from the interface 200 by means of an electronic switch 50 connected in series to the electronic component 30 in the form of a transistor.
  • a further resistor 32 (“measuring resistor”), which is connected in series with the electronic switch 50, can be seen.
  • the monitoring device 40 has an input 41 via which it can detect an electrical voltage at the measuring resistor 32. If, in the event of a fault, a high electrical current flows through the series connection of the electronic component 30, the electronic switch 50 and the measuring resistor 32, this leads to an electrical voltage drop at the measuring resistor 32, which is detected by the monitoring device 40 at the input 41.
  • the monitoring device 40 thereupon switches the electronic switch 50 in a blocking manner, so that the aforementioned electrical current flow is interrupted.
  • the monitoring device 40 can advantageously maintain this locked state for a minimum time, for example longer than 1 s, particularly advantageously longer than 1 min the electrical voltage at the input 41 of the monitoring device 40 is also close to zero and would therefore be assessed as uncritical.
  • a particular advantage of this proposed protective device 100 is, in particular, that the measuring resistor 32 can be very small and thus the actual temperature measurement by means of the electronic component 30 is only minimally falsified.
  • a resistance value less than 1% of the minimum value of the electronic component 30 over the entire working temperature range of the electrical energy store 300 is advantageous; a resistance value less than 0.3% of the minimum value of the electronic component 30 over the entire working temperature range of the electrical energy store 300 is particularly advantageous the measuring resistor 32 can be 1 ohm, while that of a fuse for such a low electrical current is typically 10 ohms.
  • the monitoring device 40 does not have to be able to detect the electrical current through the electronic component 30 in normal operation, but only in the event of an overcurrent fault.
  • this variant of the proposed protective device 100 can be implemented in a particularly inexpensive and simple manner.
  • Integrated circuits are known with inputs, which are provided for a battery current measurement, and go into an alarm state when the electrical current is too high.
  • Such an integrated circuit is also suitable to be used in the arrangement of FIG. 13, in which case a current input of the monitoring device 40 is used as a measuring input. Too high an electrical current through the electronic component 30 is then interpreted by such a monitoring device 40 as too high a battery current, which also leads to the alarm triggering.
  • FIG. 14 shows a basic circuit diagram of a further embodiment of a proposed protective device 100. It can be seen that in this variant an independent circuit based on a comparator circuit 33 (Schmitt trigger) can interrupt the electrical current through the electronic component 30. Additional wiring of the amplification device 33, e.g. via suitable resistors, is not shown. The electrical voltage drop across the measuring resistor 32 triggers a change in the output level to close to zero V in the comparator circuit 33. This pulls the gate or the base of the electronic switch 50 to low, so that the electronic switch 50 no longer conducts, regardless of the output 42 (alarm output) of the monitoring device 40.
  • a comparator circuit 33 Schot trigger
  • the comparator circuit 33 has positive feedback so that it maintains its state (ie output at zero V), even if the measurement signal is at the input is no longer present. This variant can be useful in particular when there is no longer any free input on the monitoring device 40 and / or the monitoring device 40 does not have any current monitoring.
  • FIG. 15 shows a basic circuit diagram with a further embodiment of a proposed protective device 100.
  • This variant is particularly preferred if the system is designed to bypass the electronic component 30 in the form of the NTC temperature sensor in the event of a fault.
  • a fuse element 34 e.g. fuse
  • a special feature of this fuse is that it does not have to be designed for the electrical current that flows through the electronic component 30 in the event of a fault, but for a higher electrical current. In normal operation, the fuse element 34 is not triggered. This is favorable because the fuse element 34 can then have a low electrical resistance and only slightly falsifies the temperature measurement in nominal operation.
  • the monitoring device 40 switches on the electronic switch 50 sporadically or cyclically for a defined short time in normal operation.
  • the time is preferably selected to be so short that the connected management device 400 (tool or charger) does not yet recognize this as an error.
  • this cycle time can be 50 ms.
  • the electronic switch 50 releases the path for a high electrical current during this time, which is suitable for triggering or destroying the fuse element 34.
  • the fuse element 34 can be designed as a trace fuse.
  • IPC-2221 for example, with a track width of 0.1 mm, a temperature increase of 1. 1 A by 60 ° C can be caused.
  • the fuse element 34 can also be designed as a fusible resistor. 16 shows a basic sequence of a method for operating a protective device 100 for an electronic component 30 connected to an interface 200. In a step 500, an electrical voltage drop is detected on a measuring resistor 32 connected in series with the electronic component 30.
  • a step 510 the electronic component 30 is switched off if a defined switch-off threshold of the electrical component is exceeded

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Abstract

Schutzvorrichtung (100) für ein an eine Schnittstelle (200) angeschlossenes elektronisches Bauteil (30), aufweisend: - ein mit dem elektronischen Bauteil (30) in Serie geschaltetes Ausgleichselement (31); wobei - das Ausgleichselement (31) einen positiven Temperaturkoeffizienten seines elektrischen Widerstands aufweist und wobei das Ausgleichselement (31) an einen Pol (201, 202) oder Messkontakt (203) eines elektrischen Energiespeichers (300) angeschlossen ist; wobei - das elektronische Bauteil (30) und das Ausgleichselement (31) thermisch miteinander gekoppelt sind.

Description

Beschreibung
Titel
Schutzvorrichtung für ein an eine Schnittstelle angeschlossenes elektronisches
Bauteil
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzvorrichtung für ein an eine Schnitt stelle angeschlossenes elektronisches Bauteil. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer Schutzvorrichtung für ein an eine Schnittstelle angeschlossenes elektronisches Bauteil.
Stand der Technik
Um mobil ohne Bindung an ein Energienetz elektrische Leistung zur Verfügung zu haben, gibt es elektrochemische Energieträger, beispielsweise Akkuzellen. Ein derzeit häufig eingesetzter Typ ist die Lithium-Ionen-Zelle, die gute Energie- und Leistungs dichte vereint. Gängige Bauarten sind runde Zellen, Prismenzellen oder Pouch-Zellen.
Um eine Lithium-Ionen-Zelle sicher betreiben zu können, ist es notwendig, ihre Tem peratur zu überwachen und die Betriebsparameter von der Temperatur abhängig zu gestalten. Zur Erfassung der Temperatur werden verschiedene Temperatursensoren eingesetzt. Dabei ist wichtig, dass der Sensor möglichst in engem thermischen Kontakt mit der Lithium-Ionen-Zelle steht.
Bekannt sind Akkupacks, bei denen ein Temperatursensor auf einer flexiblen Leiter platte montiert ist, und mit dieser Leiterplatte mit einem elastischen Element an eine Zelle angedrückt wird. Dadurch ist unterstützt, dass der Temperatursensor thermisch möglichst innig mit einer Zelle verbunden ist.
Häufig wird als Temperatursensor ein Sensor verwendet, der seinen ohmschen Widerstand in Abhängigkeit von der Temperatur ändert. Wird dieser Widerstand bei höherer Temperatur kleiner, spricht man von einem NTC (engl negative temperature coefficient). In vielen Fällen befindet sich dieser Temperatursensor im Batteriepack, wird aber bei einem Gerätesystem mit wechselbarem Batteriepack vom Ladegerät oder entladenden Elektrogerät gemessen und ausgewertet. Diese Messung erfolgt typischerweise durch das Anlegen einer Spannung über einen Vorwiderstand an den Temperatursensor, und das Messen und bewerten des Spannungsabfalls über Vor widerstand und Temperatursensor.
Fig. 10 zeigt einen elektrischen Energiespeicher 300 in Form eines Akkupacks mit einigen Zellen 301 a...301 d, die über eine Schnittstelle 200 an eine Verwaltungsvor richtung 400 (z.B. Ladegerät) angeschlossen sind.
Internationale Standards fordern inzwischen, dass während des Ladens die Einzel zellspannungen eines aus mehreren Zellen zusammengefügten Batteriepacks einzeln überwacht werden. Um im Fehlerfall ein Abschaltsignal mitteilen zu können, ist es üblich, den Temperatursensor zu verfälschen. Dies kann beispielsweise mit einem elektronischen Schalter 50 in Reihe mit dem NTC-Temperatursensor 30 (siehe Fig.
11), oder einem elektronischen Schalter 50 parallel zum NTC-Temperatursensor 30 erfolgen, was prinzipiell in Fig. 12 angedeutet ist.
Dazu sollte im Batteriepack eine Überwachungseinrichtung 40 in Form einer Elektronik zur Einzelzellspannungsüberwachung verbaut sein. Damit der Batteriepack im Ruhe zustand nicht von der Überwachungseinrichtung 40 entladen wird, ist es üblich, dass die Überwachungseinrichtung 40 nur eingeschaltet wird, wenn der Batteriepack im Betrieb ist, beispielsweise wenn eine Spannung am NTC-Temperatursensor 30 anliegt.
Um elektrischen Strom im Fehlerfall zu begrenzen, können z.B. auch Schmelzsicher ungen eingesetzt werden. Diese setzen einen Teil des fließenden elektrischen Stromes durch Widerstand und Spannungsabfall in thermische Energie um, die ein leitfähiges Material schmelzen lässt und damit den elektrischen Stromfluss unterbricht. Je nied riger der auslösende Nennstrom hierfür ist, desto höher muss prinzipiell der Wider stand sein. Eine andere Möglichkeit, elektrischen Strom zu begrenzen, ist die Verwen dung eines Transistors in Verbindung mit einem Wderstand als Stromquelle. Dabei wirkt ein fließender Strom durch Spannungsabfall am Wderstand der Steuerspannung des Transistors entgegen, so dass sich ein Gleichgewicht und damit ein definierter elektrischer Strom einstellen. Bekannt ist, wie in Fig. 11 dargestellt, eine Überwachungseinrichtung 40 mit integrier ten Schaltkreisen, die zur Überwachung von Betriebszuständen innerhalb des elektri schen Energiespeichers 300 verwendet wird. Diese weist beispielsweise Eingänge zur Überwachung von Einzelzellspannungen, Temperatur, oder auch Strom auf. Wird die Spezifikationsgrenze für einen Parameter verletzt, lösen solche Schaltkreise einen Alarm aus. Dies ist typischerweise ein Pegelwechsel an einem Anschluss, wobei ein Pin von logisch Low auf logisch High oder umgekehrt geht.
Wird ein NTC-Temperatursensor verwendet, kann sich bei missbräuchlicher Verwen dung oder starker Verschmutzung folgendes Problem ergeben:
Der Messkontakt 203, an den das elektronische Bauteil 30 in Form des NTC-Temper- atursensors geschaltet ist, kann entgegen seiner Bestimmung mit dem Pluspol 201 des elektrischen Energiespeichers 300 verbunden werden (z.B. durch Metallteilchen). Da durch schaltet sich die Überwachungseinrichtung 40 ein und erkennt fälschlicherweise einen normalen Betriebszustand (elektrische Spannung am Temperatursensor 30). Da die Spannung nicht über einen Vorwiderstand am Temperatursensor 30 anliegt, sondern direkt, findet die Strombegrenzung lediglich durch den Widerstand des NTC- Temperatursensors 30 statt. Der NTC-Temperatursensor 30 erwärmt sich durch die umgesetzte Leistung, was zu einem niedrigeren NTC-Widerstand und wiederum zu mehr umgesetzter Leistung führt (Mitkopplung oder Teufelskreis).
Da der NTC-Temperatursensor in thermisch innigem Kontakt zu den Zellen 301a...301 d steht, entsteht an der entsprechenden Zelle 301a...301 d ein heißer Punkt, der zu einem thermischen Ungleichgewicht führen kann und den elektrischen Energie speicher 300 nachteilig schneller altern lässt.
Herkömmliche Methoden, elektrischen Strom zu begrenzen, gehen durch die Notwendigkeit eines Widerstandes für diesen Fall immer auch mit einer Verfäl schung des Temperatursignals einher. Der im Fehlerfall fließende elektrische Strom kann relativ gering sein, zum Beispiel 50mA, aber dennoch zu hohen Tem peraturen führen. Eine Schmelzsicherung mit einem Bemessungsstrom von 50 mA hat typischerweise einen Widerstand von 10 Ohm. Diesen einzubauen würde zu einer Verfälschung des Temperatursignals führen.
Offenbarung der Erfindung Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Schutzvorrich tung für ein schützendes Element bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einer Schutzvorrichtung für ein an eine Schnittstelle angeschlossenes elektronisches Bauteil, aufweisend: ein mit dem elektronischen Bauteil in Serie geschaltetes Ausgleichsele ment; wobei das Ausgleichselement einen positiven Temperaturkoeffizienten seines elektrischen Widerstands aufweist und wobei das Ausgleichselement über die Schnittstelle an einen Pol eines elektrischen Energiespeichers angeschlossen ist; wobei das elektronische Bauteil und das Ausgleichselement thermisch mitein ander gekoppelt sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer Schutzvorrichtung für ein an eine Schnittstelle ange schlossenes elektronischen Bauteil, wobei an die Schnittstelle ein elektrischer Energiespeicher angeschlossen ist, aufweisend die Schritte:
- Anschließen des Bauteils an einen Pol oder Messkontakt des elektrischen Energiespeichers;
Serielles Schalten eines Ausgleichselements zwischen einen Pol des elektrischen Energiespeichers und das elektronische Bauteil oder zwischen das elektronische Bauteil und einen Messkontakt, wobei das Ausgleichselement einen positiven Temperaturkoeffizient des elektri schen Widerstands aufweist; und
- wobei das Bauteil und das Ausgleichselement thermisch miteinander gekoppelt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Schutzvorrichtung sind jeweils Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung sieht vor, dass das elektronische Bauteil ein NTC oder ein Kodierwiderstand ist. Auf diese Weise sind mittels der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung vorteilhaft unter schiedliche Arten von elektronischen Bauteilen schützbar. Eine vorteilhafte Weiterbildung der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung sieht vor, dass die thermische Kopplung durch eine definierte räumliche Nähe oder durch eine Verbindung über eine elektrische Leiterbahn und/oder durch einen definier ten Wärmeübergangswiderstand zwischen Bauteil und Ausgleichselement bereit gestellt ist. Dadurch sind vorteilhaft unterschiedliche Arten zum Bereitstellen der thermischen Kopplung möglich.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kopplung zwischen dem elek tronischen Bauteil und dem Ausgleichselement derart ist, dass ein Auslösen des Ausgleichselements durch Erwärmung des elektronischen Bauteils begünstigt wird. Auf diese Weise kann der PTC seine strombegrenzende Wirkung bei Er wärmen des NTC entfalten.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das elektronische Bauteil für eine Temperatur messung verwendet wird, wobei das elektronische Bauteil und das Ausgleichs element betreffend ihrer Temperaturgänge derart aufeinander abgestimmt sind, dass in einem relevanten Temperaturmessbereich eine Temperaturmessung nicht signifikant verfälscht wird, wobei außerhalb des relevanten Temperatur messbereichs das Ausgleichselement definiert hochohmig wird. Auf diese Weise ist vorteilhaft unterstützt, dass eine Temperaturmessung mittels des elektroni schen Bauteils in Form eines NTC durch das Ausgleichselement nicht wesentlich verfälscht wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der relevante Temperaturmessbereich zwischen ca. -20°C und ca. +80°C liegt. Vorteilhaft wird dadurch ein relevanter Temperaturmessbereich für die Schutzvorrichtung, die zum Schützen eines als Temperatursensor fungierenden Bauteils fungiert, definiert.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Gleichgewichtstemperatur des elektroni schen Bauteils und des Ausgleichselements derart ist, dass bei maximaler Be triebsspannung eines elektrischen Energiespeichers Zellen des elektrischen Energiespeichers nicht gefährdet sind, wobei die sich einstellende Gleichge- wichtstemperatur abhängig ist von dem Schnittpunkt der Gradienten der Kenn linien des zu schützenden Bauteils und des Ausgleichselements. Vorteilhaft ist auf diese Weise eine effiziente Schutzwirkung für das als Temperatursensor fungierende Bauteil mittels des Ausgleichselements unterstützt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Temperaturmessfehler aufgrund der Wider standsmessung von elektronischem Bauteil und Ausgleichselement im gesamten Temperaturarbeitsbereich des elektrischen Energiespeichers maximal definiert festgelegt wird.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerstandswert des Ausgleichselements definiert klein gegenüber einem Widerstandswert des zu schützenden Bauteils ist. Auch dadurch ist eine störende Wirkung des Ausgleichselements für das als Temperatursensor fungierende Bauteil vorteilhaft minimiert.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein aufgrund des Ausgleichselements verur sachter Fehler der Temperaturmessung nicht größer als 5%, insbesondere nicht größer als 1% beträgt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauteil und das Ausgleichs element mit einem wärmeleitfähigen Material gekoppelt sind. Dadurch ist eine effiziente thermische Kopplung zwischen elektronischem Bauteil und Ausgleichs element unterstützt.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauteil und das Ausgleichs element als SMD-Bauteile ausgebildet sind, wobei das elektronische Bauteil und das Ausgleichselement wenigstens eine auf Wärmeübertragung ausgelegte, ge meinsame Kupferfläche aufweisen. Auf diese Weise ist eine besonders platz sparende Bauweise der Schutzvorrichtung bei gleichzeitig effizienter thermische Kopplung unterstützt. Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Gleiche oder funktionsgleiche Bau elemente haben dabei gleiche Bezugszeichen. Die Figuren sind insbesondere dazu gedacht, die erfindungswesentlichen Prinzipien zu verdeutlichen und sind nicht unbedingt maßstabsgetreu ausgeführt. Der besseren Übersichtlichkeit hal ber kann vorgesehen sein, dass nicht in sämtlichen Figuren sämtliche Bezugs zeichen eingezeichnet sind.
Offenbarte Vorrichtungsmerkmale ergeben sich analog aus entsprechenden of fenbarten Verfahrensmerkmalen und umgekehrt. Dies bedeutet insbesondere, dass sich Merkmale, technische Vorteile und Ausführungen betreffend die Schutzvorrichtung in analoger Weise aus entsprechenden Ausführungen, Merk malen und Vorteilen des Verfahrens zum Herstellen einer Schutzvorrichtung für ein an eine Schnittstelle angeschlossenes elektronisches Bauteil ergeben und umgekehrt.
In den Figuren zeigt:
Fig. 1 ein prinzipielles Blockschaltbild einer vorgeschlagenen
Schutzvorrichtung;
Fig. 2 eine erste Ausführungsform einer vorgeschlagenen Schutzvor richtung;
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer vorgeschlagenen Schutzvor richtung;
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer vorgeschlagenen Schutzvor richtung;
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer vorgeschlagenen Schutzvor richtung;
Fig. 6 eine prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Betreiben einer vorgeschlagenen Schutzvorrichtung; Fig. 7 ein Blockschaltbild einer weiteren Ausführungsform einer vorge schlagenen Schutzvorrichtung;
Fig. 8 ein Diagramm mit Temperaturkennlinien eines zu schützenden Elements und des Ausgleichselements;
Fig. 9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben der Schutzvorrichtung;
Fig. 10-12 herkömmliche Anordnungen zum Schutz eines elektrischen Energiespeichers;
Fig. 13-15 Ausführungsformen einer Schutzvorrichtung für ein an einer Schnittstelle angeschlossenes elektronisches Bauteil; und
Fig. 16 ein Ablaufdiagramm mit einem Verfahren zum Betreiben einer Schutzvorrichtung für ein einer Schnittstelle angeschlossenes elektronisches Bauteil.
Beschreibung von Ausführungsformen
Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer Schutz vorrichtung für ein an eine elektrische Schnittstelle angeschlossenes, zu schütz endes elektronisches Bauteil.
Vorteilhaft ist es mit der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung möglich, dass eine Schädigung des an die Schnittstelle angeschlossenen Bauteils bzw. Baugruppe zu keiner Zeit eintritt.
Vorgeschlagen wird dazu z.B. ein Unterbinden des elektrischen Stroms nahezu ohne Verfälschung eines Temperatursignals im Nennbetrieb eines als Temperaturerfas sungselement genutzten elektronischen Bauteils. Dazu ist vorgesehen, den elektri schen Strom durch das elektronische Bauteil zu erfassen und gegebenenfalls mit einer vorteilhaft in der Regel bereits vorhandenen Schaltvorrichtung abzuschalten. Alternativ kann das zu schützende elektronische Bauteil auch überbrückt werden, so dass ein hoher elektrischer Strom eine Sicherung mit hohem Bemessungsstrom und dadurch bedingt kleinem Widerstand auslösen kann.
Vorteilhaft ist mittels der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung ein Schützen von Schaltungsteilen möglich, welche mit einer elektrischen Schnittstelle verbunden und verbindbar sind, wie z.B. tragbare Elektrowerkzeuge, Batteriepacks und dergleichen. Die vorgeschlagene Schutzvorrichtung weist mindestens einen Sensor (Strom- oder Spannungssensor) auf, die das angeschlossene elektronische Bauteil bzw. die ange schlossene Schaltung hochohmig abtrennen kann.
Unter „hochohmig“ wird in diesem Zusammenhang ein Zustand verstanden, bei dem keine Beschädigung des elektronischen Bauteils bzw. der elektronischen Baugruppe bzw. keine oder eine nur sehr geringe Energieumsetzung stattfindet. Ferner kann unter „hochohmig“ eine Erhöhung des Gesamtwiderstandes um mindestens Faktor 3, beson ders vorteilhaft um mindestens Faktor 20, bezogen auf einen Nominalwiderstand ver standen werden. Insbesondere wird zu diesem Zweck ein elektrischer Stromfluss durch das elektronische Bauteil bzw. die elektronische Baugruppe hinreichend begrenzt. Ist die „hochohmige“ Abtrennung nicht mehr notwendig, so kann das elektronische Bauteil bzw. Schaltungsteil wieder verbunden (selbstrückstellend), bzw. die Impedanz ver ringertwerden.
Eine Information, ob eine Abtrennung erfolgen soll, wird von den Sensoren geliefert. Eine Überwachungseinrichtung vergleicht die Information mit zumindest einem wohl definierten Wert und leitet im Allgemeinen bei einer Überschreitung eine „hochohmige“ Abtrennung ein, wobei eine Überschreitung beispielsweise dann vorliegen kann, wenn die vom Sensor gelieferten Informationen einen geeigneten und üblichen Betriebs bereich verlassen bzw. überschreiten.
Ein wesentlicher Vorteil der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung besteht insbesondere darin, dass eine Abtrennung des zu schützenden elektronischen Bauteils bzw. der zu schützenden elektronischen Baugruppe (z.B. ein Akkupack) erfolgt, bevor ein schäd licher Temperaturanstieg erfolgt.
Eine erste Ausführungsvariantenfamilie der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung sieht eine Messung der elektrischen Spannung an der Schnittstelle vor. Hierbei ist es möglich, mit einer sehr kurzen Reaktionszeit auf das Vorhandensein einer elektrischen Spannung außerhalb eines definierten Betriebsspannungsbereichs zu reagieren. Be findet sich die elektrische Spannung außerhalb des definierten Betriebsspannungs bereichs, wird das elektronische Bauteil (z.B. NTC oder Kodierwiderstand) bzw. die elektronische Schaltungsgruppe hochohmig von der Schnittstelle und/oder einem ge meinsamen Bezugspotential (z.B. Masse) abgetrennt.
Vorteilhaft ist dadurch keine Einrast-Schaltung ("Latch") notwendig, da die elektrische Spannung nach dem Abschalten aufgrund der Impedanzerhöhung nicht sinkt. Üblicher weise bleibt die elektrische Spannung nach einem Abschaltvorgang des elektronischen Bauteils bzw. der elektronischen Baugruppe konstant oder steigt sogar an. Daher ist für die vorgeschlagene Schutzvorrichtung in der Regel nur eine kleine bis gar keine Hysterese notwendig.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung betreffend die oben genannte erste Ausführungsvariantenfamilie näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild einer vorgeschlagenen Schutzvorrichtung 100 für eine elektrische Schnittstelle 200, an die ein zu schützendes elektronisches Bauteil 30 (z.B. ein NTC oder ein Kodierwiderstand) angeschlossen ist. Erkennbar ist eine Überwa chungseinrichtung 40, die funktional mit einer Spannungserfassungseinrichtung 10, einer Stromerfassungseinrichtung 20 und einem elektronischen Schalter 50 zusam menwirkt. Im Ergebnis ist es mit der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung 100 für die Schnittstelle 200 möglich, das zu schützende elektronische Bauteil 30 bzw. die zu schützende Baugruppe im Fehlerfall hochohmig von der Schnittstelle 200 abzuschalten und nach Wegfall des Fehlerfalls wieder an die Schnittstelle 200 anzuschalten. In einem Fehlerfall ist es denkbar, dass eine elektrische Spannung an einem Anschluss des zu schützenden elektronischen Bauteils 30 in Form eines NTC eingespeist wird, z.B. über einen Kurzschluss, der aufgrund von Metallstaub ermöglicht wird. Dabei sind die elektrische Spannung und die Impedanz in der Regel nicht vollständig bekannt.
Aufgrund des dadurch verursachten elektrischen Stromflusses durch das elektronische Bauteil 30 in Form des NTC fällt der NTC-Widerstand rapide ab, wobei z.B. der elektri sche Strom von ursprünglich ca.10 mA bis ca. 21 mA auf ca. 100 mA steigen kann. Da durch erfolgen eine Eigenerwärmung des NTCs und damit ein mitgekoppeltes Absin ken des NTC-Widerstandswertes. Bei sehr heißem NTC (z.B. 100 Ohm für einen NTC, dessen Widerstand bei Raumtemperatur 6.8 kOhm beträgt) können bei 10V Klemmen spannung an der Schnittstelle 200 bis zu 100mA erreicht werden, was z.B. eine Belast ungsgrenze eines Abschalt-MOS-FETs darstellt. Im Ergebnis sollten an der Schnitt stelle 200 elektrische Spannungen größer als ca. 10V verhindert werden, wobei eine elektrische Aktivierungsspannung deutlich höher liegen kann.
Vorgeschlagen wird bei der ersten Ausführungsvariantenfamilie eine Spannungsmes sung am Eingang des zu schützenden elektronischen Bauteils 30. Nominal kann eine elektrische Spannung an der Schnittstelle 200 max. 5,0 V betragen. Vorgesehen ist ein sehr hochohmiger Abgriff einer elektrischen Spannung mit einem Komparator oder einem MOS-FET, wodurch eine sehr schnelle Detektion der elektrischen Spannung an der Schnittstelle 200 möglich ist.
Zum Erfassen des elektrischen Spannungsabfalls am zu schützenden elektronischen Bauteil 30 kann auch ein Kleinsignal-MOS-FET mit einem Spannungsteiler und/oder einem RC-Filter verwendet werden, der eine Überschreitung von mehr als 7V am Pin des zu schützenden elektronischen Bauteils 30 detektiert.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform einer vorgeschlagenen Schutzvorrichtung 100 für eine elektrische Schnittstelle 200. Erkennbar ist im linken oberen Bereich ein Schal tungsteil, der für eine Simulation der Schutzvorrichtung 100 vorgesehen ist. Man erken nt einen Anschluss des zu schützenden Bauteils 30, der mit „NTC“ bezeichnet ist.
Man erkennt eine elektrische Spannung V5, die aufgrund eines Stromflusses bzw. einer Eigenerwärmung des zu schützenden elektronischen Bauteils 30 in Form eines NTC generiert wird. Mittels eines Anschlusses „Gate“ kann das zu schützende Bauteil 30 hochohmig von der Schnittstelle 200 (nicht dargestellt) abgeschaltet werden.
Ein Wderstand R12 repräsentiert z.B. Metallstaub, der einen elektrischen Kurzschluss zwischen dem zu schützenden Bauteil 30 und einer Spannungsquelle VCC_Bat be wirkt. Mittels eines Shunts R17 kann der elektrische Strom durch das elektronische Bauteil 30 über einen elektrischen Spannungsabfall messtechnisch erfasst werden, wobei mittels des Anschlusses „Gate“ ein elektronischer Schalter 50 in Form eines MOS-FET geschaltet werden kann, um das elektronische Bauteil 30 durch ein Öffnen des elektronischen Schalters 50 von der Batteriespannung VCC_Bat abzutrennen. Der rechte Abschnitt der Schaltung von Fig. 2 repräsentiert eine diskrete Halteschal tung (engl latch), welche aus den beiden Transistoren Q3 und Q5 einen Thyristor nachbildet, der sich einen Schaltungszustand der Schutzvorrichtung 100 nach dem Abschalten des elektronischen Bauteils 30 „merkt“. Im Falle, dass ein elektrischer Überstrom durch das elektronische Bauteil 30 erfasst wurde, bleibt dieser Zustand mittels der Halteschaltung gespeichert, d.h. auch wenn der Strom durch das elektro nische Bauteil 30 auf Null sinkt, bleibt der elektronische Schalter 50 geöffnet und ver hindert dadurch ein Wiederanschalten des elektronischen Bauteils 30 an die Batterie spannung VCC_Bat. Zum Zurücksetzen des durch die Halteschaltung gespeicherten Zustands wird die Versorgungsspannung VCC_Bat des Batteriepacks abgeschaltet. Die Rückstellung erfolgt z.B. über ein Abschalten der VCC_Bat oder ein Deaktivieren von Transistor Q5, in dem dessen Basis über eine Steuereinrichtung mit Masse verbunden wird.
Denkbar ist zum Beispiel auch, die Auswertung des elektrischen Spannungshubes, die in der Anordnung von Fig. 2 mittels des diskreten Shunts R17 durchgeführt wird, mit einem AD-Umsetzer und einer Überwachungseinrichtung 40 in Form eines Mikrorech ners durchzuführen. Dazu ist am Mikrorechner ein zusätzlicher ADC-Eingang notwen dig, wobei eine Software verwendet wird, um den Fehlerzustand zu detektieren. Denk bar sind hier auch zusätzliche Funktionen, wie z.B. „auto recovery“.
Denkbar ist zum Beispiel auch, die Auswertung des Spannungshubes, die in der An ordnung von Fig. 2 mittels des diskreten Shunts R17 durchgeführt wird, mit einem dis kreten Halteglied (latch Circuit) durchzuführen. Vorteilhaft ist auf diese Weise eine Soft ware in den Detektions- und Abschaltmechanismus nicht involviert (nicht dargestellt). Das zu schützende elektronische Bauteil 30 bleibt solange von der Schnittstelle 200 abgeschaltet, bis eine Kurzschlussbrücke entfernt worden ist. Vorteilhaft ist auch diese Variante der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung 100 selbst rückstellend.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer vorgeschlagenen Schutzvorrichtung 100 für eine elektrische Schnittstelle 200. Man erkennt, dass der Anschluss NTC des zu schützenden elektronischen Bauteils 30 (nicht dargestellt) mit einem Spannungs teiler R20, R21 verbunden ist, der in Summe zum Beispiel einen Widerstandswert von maximal 1 MW aufweist. Dadurch wird die elektrische Spannung am zu schützenden elektronischen Bauteil 30 heruntergeteilt und einem nicht-invertierten Eingang eines Komparators K1 zugeführt, an dessen Ausgang ein Transistor M3 zum Ansteuern des Schaltanschlusses Gate des elektronischen Schalters 50 (nicht dargestellt) zum Ab schalten des elektronischen Bauteils 30 (nicht dargestellt) betätigt. Eine Einschalt schwelle beträgt dabei bei einer Betriebsspannung von 3,3 V ca. 6,6 V, eine Ausschalt schwelle beträgt ca. 0,6 V. Ein Widerstand R23 wird zusammen mit Kondensatoren der Schutzvorrichtung 100 geeignet dimensioniert, wobei insbesondere darauf geachtet wird, dass das elektronische Bauteil von der Schnittstelle 200 (nicht dargestellt) derart abgeschaltet wird, dass keine Schädigung des elektronischen Bauteils auftritt.
Im Ergebnis wird auf diese Weise mittels des Komparators K1 eine Auswertung des Spannungshubs am zu schützenden elektronischen Bauteil durchgeführt, wobei da durch vorteilhaft sehr enge Auslöseschwellen einstellbar sind. Bei geeigneten Auslöse- schwellen ist auch diese Variante der Schutzvorrichtung 100 selbst rückstellend.
Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer vorgeschlagenen Schutzvorrichtung 100 für eine elektrische Schnittstelle. Man erkennt eine Überwachungseinrichtung 40, die in Form eines Schmitt-Triggers ausgebildet ist und der die Transistoren Q6, Q7 umfasst. Ferner erkennbar ist eine Endstufe des Schmitt-Triggers in Form von Wider ständen R37, R38 und eines MOSFET-Transistors M1 zur Formung von geeigneten elektrischen Pegel. Das zu schützende elektronische Bauteil ist in Fig. 4 nicht darge stellt. Mittels dieser Variante kann eine elektrische Spannung V_NTC am zu schütz enden elektronischen Bauteil erfasst werden, wobei mit einer geeigneten Dimension ierung der Widerstände R30-R35 erreicht wird, dass eine Schwelle des Schmitt-Trig gers geeignet eingestellt wird, so dass dieser einen Transistor M1 zum Ansteuern des elektronischen Schalters (nicht dargestellt) zum Abschalten des zu schützenden elektronischen Bauteils schaltet.
Im Ergebnis wird mit dieser Variante eine Auswertung des elektrischen Spannungs hubs am zu schützenden elektronischen Bauteil 30 mit einem diskreten Schmitt-Trigger durchgeführt, mit dem enge Auslöseschwellen einstellbar sind. Bei Erreichen geeigneter Auslöseschwellen ist auch diese Variante der Schutzvorrichtung 100 selbstrückstellend.
Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Schutzvorrichtung 100 für eine elek trische Schnittstelle, die jener der Variante von Fig. 2 ähnelt, wobei aber in diesem Fall eine Konstantstromquelle R17, J1 bzw. eine Stromlimitierung mit einem N-Kanal JFET J1 und einer Gate-Source Gegenkopplung vorgesehen ist. Vorteilhaft erfordert diese Variante nur sehr wenige Bauteile, wodurch im Ergebnis nur ein geringer Platzbedarf auf der Leiterplatte benötigt wird. Auch diese Variante der vorgeschlagenen Schutzvor richtung 100 ist selbst rückstellend bzw. weist einen geregelten/Gegenkopplungs modus auf.
Vorteilhaft kann auch vorgesehen sein, die Auswertung des elektrischen Spannungs hubes an der Schnittstelle 200 mit einem A/D-Wandler und einem Mikrocontroller durchzuführen. In diesem Fall ist die Überwachungseinrichtung 40 vorzugsweise als ein Mikrorechner ausgebildet, wodurch zum Beispiel der Schmitt Trigger in Software implementiert werden kann, um den Fehlerzustand am elektronischen Bauteil 30 zu detektieren. Vorteilhaft lassen sich dadurch auch zusätzliche Funktionen, wie z.B. „auto recovery“ implementieren.
In einerweiteren, nicht in Figuren dargestellten Variante kann auch vorgesehen sein, die Auswertung des Spannungshubes an dem an die Schnittstelle 200 angeschloss enen elektronischen Bauteil 30 mit einem Kleinsignal-MOS-FET vorzunehmen. Vor teilhaft lässt sich auf diese Weise ein großzügiger Spannungsbereich der elektrischen Auslösespannung zum Abschalten des zu schützenden elektronischen Bauteils 30 einstellen.
Vorteilhaft ist für diejenigen Varianten der oben erläuterten Schutzvorrichtungen 100, die die elektrische Spannung am zu schützenden elektronischen Bauteil 30 messen, keine Einrast-Schaltung erforderlich, da die elektrische Spannung an der Schnittstelle 200 nach dem Abschalten des zu schützenden elektronischen Bauteils 30 nicht sinkt.
Fig. 6 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Betreiben einer vorge schlagenen Schutzvorrichtung für ein an einer Schnittstelle 200 angeschlossenes elektronisches Bauteil 30.
In einem Schritt 60 wird ein Erfassen von elektrischer Spannung und/oder elektrischem Strom am elektronischen Bauteil 30 durchgeführt.
In einem Schritt 70 wird ein Abschalten des elektronischen Bauteils 30 von der elektrischen Schnittstelle 200 im Falle durchgeführt, dass eine unzulässig hohe elektrische Spannung am elektronischen Bauteil 30 anliegt, wobei als eine un zulässig hohe elektrische Spannung zumindest die doppelte Nominalspannung erfasst wird, wobei im Falle, dass am elektronischen Bauteil 30 keine unzulässig hohe elektrische Spannung mehr erfasst wird, das elektronische Bauelement 30 mittels des elektronischen Schalters 50 an die Schnittstelle 200 angeschaltet wird.
Typischerweise verwenden Batterie-Packs in der Regel eine Temperaturmessschal tung zur Überwachung der Zelltemperatur. Diese ist häufig über einen NTC auf der Seite der Batterie-Elektronik umgesetzt, sowie ein Kontaktelement, über das ein Tool oder Ladegerät mit einem geeigneten Vorwiderstand eine Versorgungsspannung von außen an den NTC anlegt. Der NTC ist thermisch mit einer oder mehreren Zellen gekoppelt. Die Spannung am NTC-Kontakt korreliert mit dem Widerstand/der Temperatur des NTCs.
Liegt z.B., wie in Fig. 7 angedeutet, aufgrund von Verschmutzung ein Kurzschluss KP zwischen dem Pluspol 201 des Batterie-Packs und dem NTC-Kontakt 203 vor, fließt ein elektrischer Strom durch den NTC, der nicht über einen definierten Vorwiderstand begrenzt wird. Dies führt zum Aufheizen des NTCs, wodurch dieser aufgrund seines Temperaturverhaltens seinen Widerstand reduziert. Dadurch erhöht sich der elektri sche Strom kontinuierlich. Da der Strom quadratisch in die Verlustleistung (P = R x I2) eingeht, erhöht sich bei kleiner werdendem NTC-Widerstand die Verlustleistung am NTC, wodurch das Aufheizen immer weiter beschleunigt wird. Dies kann aufgrund der thermischen Kopplung zur Zelle zu einem Hotspot an der Zelle führen der zu einem thermischen Ungleichgewicht führen kann und den elektrischen Energiespeicher 300 nachteilig schneller altern lässt und dadurch Folgeprobleme verursacht.
Vorgeschlagen wird, dieser selbstbeschleunigenden Erwärmung entgegen zu wirken und im genannten Fehlerfall einen sicheren Zustand des Batterie-Packs zu erzeugen. Vorgeschlagen wird zu diesem Zweck eine Anordnung eines PTC-Elements innerhalb der NTC-Temperaturmessschaltung. Erwärmt sich das System durch einen Kurz schluss, erwärmt sich auch der PTC. Dem selbst-verstärkenden Verhalten des NTCs (Widerstand sinkt über Temperatur) wird somit ein selbst-begrenzendes Verhalten des PTCs (Wderstand steigt über Temperatur) entgegengestellt. Dies bewirkt vorteilhaft ein eigensicheres System, was keine weitere Logik, z.B. einen Mikroprozessor erfor dert. Die vorgeschlagene Schutzvorrichtung 100 umfasst somit ein einzelnes Bauteil, d.h. einen minimalen Design-Aufwand, und ist aufgrund der Einfachheit kostengünstig sowie in der Implementierung risikoarm. Eine vorgeschlagene Schutzvorrichtung 100 umfasst somit ein Ausgleichselement 31 in Form eines Bauteils mit positivem Temperaturkoeffizienten (z.B. PTC), welches seriell zum elektronischen Bauteil 30 (z.B. NTC) an einen Pol (z.B. Minuspol 202) des Batterie-Packs oder einen Messkontakt 203 der Schnittstelle 200 geschaltet wird. Im „inaktiven“ Zustand, d.h. bei Fehlen eines Kurzschlusses am Messkontakt 203 ist das Ausgleichselement 31 derart niederohmig, dass keine relevante Beeinflussung der Temperaturmessung mittels des NTCs stattfindet. Hierzu wird für den PTC ein Wider standswert gewählt, der klein gegenüber dem NTC-Widerstandswert im relevanten Betriebsbereich ist. Insbesondere Schaltschwellen (z.B. Übertemperatur/Untertempera- tur-Abschaltungen) sollten dadurch nicht signifikant verfälscht werden.
Im „aktiven“ Zustand, d.h. bei Vorliegen eines Kurzschlusses am Messkontakt 203 stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein, gemäß der am Messkontakt 203 anliegenden elektrischen Spannung und der Summe aller Serienwiderstände. Im hohen Temper aturbereich ist dabei der Widerstands-Anstieg des PTCs deutlich höher als der Wider standsabfall am NTC, weshalb der Summenwiderstand steigt, bis ein Gleichgewicht vorliegt.
Diese Gleichgewichts-Temperatur wird so ausgelegt, dass keine Gefahr für andere Systemkomponenten (typischerweise Batterie-Zellen des Batterie-Packs) vorliegt.
Vorteilhaft wird das Ausgleichselement 31 über geeignete, im Folgenden genannte technische Maßnahmen thermisch mit dem NTC gekoppelt:
- Verwendung von SMD-Bauteilen für das zu schützende Bauteil 30 und das Ausgleichselement 31, die im Layout nah beieinander platziert und/oder über eine geeignete Kupferverteilung thermisch gekoppelt werden
- Verwendung von Bauteilen für das zu schützende Bauteil 30 und das Ausgleichs element 31 mit möglichst geringen thermischen Kapazitäten
- Verwendung von thermisch leitfähigem Material (z.B. Wärmeleitpaste), um einen Wärmeaustausch zwischen dem zu schützenden Bauteil 30 und dem Ausgleichs element 31 bereitzustellen Durch diese thermische Kopplung wird erreicht, dass durch das Ausgleichselement 31 in Form des PTC, ein zum „Schalten“ (d.h. zum Erreichen einer Selbsterwärmung, die ihn in einen relevanten hochohmigen Bereich treibt) erforderlicher elektrischer Mindest strom („Trip Current“) fließt. Je niederohmiger der PTC, desto höher ist dieser Trip Current. Die thermische Kopplung zum NTC bewirkt, dass der PTC auch dann warm und damit höherohmig ist, wenn der Trip Current noch nicht erreicht ist. Dies erleichtert die Bauteilauswahl in Richtung niederohmige PTC Bauteile, wodurch unterstützt ist, dass die Temperaturmessung nicht signifikant gestört wird.
Vorteilhaft werden das zu schützende Element 30 und das Ausgleichselement 31 betreffend ihren Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands aufeinander abgestimmt. Zu berücksichtigen ist dabei:
- Beeinflussung der Temperaturmessung durch das zusätzliche PTC-Bauelement im Messpfad
- Sicheres „Schalten“ des PTCs im abzusichernden Fehlerfall, d.h. Eigenerwärmung aufgrund hinreichenden Stromflusses
- Gleichgewichtstemperatur im abzusichernden Fehlerfall, die keine Gefahr für das Gesamtsystem darstellen darf
Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Schutzvorrichtung 100 mit Kontakt- Elementen und einer Serienschaltung aus zu schützendem Bauteil 30 und Ausgleichs element 31, die zwischen einen Messkontakt 203 und einem Minuspol 202 geschaltet sind. Angedeutet ist ein möglicher Kurzschlusspfad KP zwischen dem Pluspol 201 und dem Messkontakt 203.
Fig. 8 zeigt einen beispielhaften Widerstandsverlauf über der Temperatur eines erfindungsgemäß aufeinander angepassten NTC- und PTC-Elements. Man erkennt, dass der elektrische Widerstand W des elektronischen Bauteils 30 mit steigender Temperatur sinkt und bei ca. 135 °C unter den Widerstand des Ausgleichselements 31 fällt. Man erkennt ferner, dass der elektrische Widerstand W des Ausgleichselements 31 im Wesentlichen klein gegenüber dem Widerstand des elektronischen Bauteils 30 ist und mit steigender Temperatur steigt. Die sich einstellende Gleichgewichtstemper atur ist abhängig von der Temperatur, bei dem die negative Steigung der Widerstands- kurve des elektronischen Bauteils 30 betragsmäßig der positiven Steigung der Wider standskurve des Ausgleichselements 31 entspricht, was im dargestellten Beispiel ebenfalls ca. bei 135 °C der Fall ist. Zu höheren Temperaturen hin bedeutet dies also einen Anstieg des Gesamtwiderstands und damit eine Reduktion der auftretenden Verlustleistung.
Vorteilhaft kann die vorgeschlagene Schutzvorrichtung 100 auch eine Steuerungs elektronik (nicht dargestellt) zum Auswerten der Temperaturmessung aufweisen.
Vorteilhaft kann ein mit der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung 100 geschützter elektrischer Energiespeicher als ein Akkupack (z.B. Handwerkzeugmaschinen- Akkupack) ausgebildet sein.
Das Ausgleichselement 31 kann dabei direkt oder indirekt (zum Beispiel über einen Schalter) mit einem Pol 202, 203 des Batterie-Packs verbunden sein.
Ein Wärmeübergangswiderstand zwischen dem elektronischen Bauteil 30 und dem Ausgleichselement 31 ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass ein Auslösen des PTC dadurch signifikant begünstigt wird.
Fig. 9 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines vorgeschlagenen Verfahrens zum Herstellen einer Schutzvorrichtung für ein an eine Schnittstelle 200 angeschlos senes elektronisches Bauteil 30, wobei an die Schnittstelle 200 ein elektrischer Energiespeicher angeschlossen ist.
In einem Schritt 80 wird ein Anschließen des Bauteils 30 an einen Pol oder Messkontakt 203 des elektrischen Energiespeichers 300.
In einem Schritt 90 wird ein serielles Schalten eines Ausgleichselements 31 zwischen einen Pol 201, 202 des elektrischen Energiespeichers und das elek tronische Bauteil 30 oder zwischen das elektronische Bauteil 30 und einen Mess kontakt 203 durchgeführt, wobei das Ausgleichselement 31 einen positiven Temperaturkoeffizient des elektrischen Wderstands aufweist, und wobei das Bauteil 30 und das Ausgleichselement 31 thermisch miteinander gekoppelt werden. Fig. 13 zeigt eine weitere Ausführungsform einer vorgeschlagenen Schutzvorrichtung 100. Die Temperatur der Zellen 310a...301 n wird von dem Gerät außerhalb des elek trischen Energiespeichers 300 angeordneten Verwaltungsvorrichtung 400 mit Hilfe eines im elektrischen Energiespeicher 300 angeordneten elektronischen Bauelements 30 in Form eines NTC-Temperatursensors erfasst. Nachdem die Verwaltungsvor richtung 400 allerdings lediglich zur Erfassung der elektrischen Spannung an der Schnittstelle 200 dient und nicht erfindungswesentlich ist, wird auf nähere Details hier nicht weiter eingegangen. Das elektronische Bauteil 30 könnte alternativ auch als Kodierwiderstand ausgebildet sein.
Der elektrische Energiespeicher 300 verfügt weiterhin über eine Überwachungsein richtung 40 mit einer Elektronik (z.B. einen Mikrocontroller) zur Überwachung der Einzelzellen 301a...301d. Im Falle, dass die Überwachungseinrichtung 40 einen Fehler feststellt, trennt sie mittels eines seriell zum elektronischen Bauteil 30 geschalteten elektronischen Schalters 50 in Form eines Transistors das elektronische Bauteil von der Schnittstelle 200.
Man erkennt einen weiteren Widerstand 32 („Messwiderstand “), der in Reihe mit dem elektronischen Schalter 50 geschaltet ist. Die Überwachungseinrichtung 40 verfügt über einen Eingang 41, über den sie eine elektrische Spannung am Messwiderstand 32 erfassen kann. Fließt im Fehlerfall ein hoher elektrischer Strom durch die Reihenschaltung des elektronischen Bauteils 30, des elektronischen Schalters 50 und des Messwiderstands 32, führt dies am Messwiderstand 32 zu einem elektrischen Spannungsabfall, der von der Überwachungseinrichtung 40 am Eingang 41 erfasst wird. Die Überwachungseinrichtung 40 schaltet daraufhin den elektronischen Schalter 50 sperrend, so dass der genannte elektrische Stromfluss unterbrochen wird.
Vorteilhaft kann die Überwachungseinrichtung 40 diesen gesperrten Zustand für eine Mindestzeit beibehalten, beispielsweise länger als 1 s, besonders vorteilhaft länger als 1 min. Auf diese Weise kann vorteilhaft vermieden werden, dass der elektronische Schalter 50 gleich wieder eingeschaltet wird, da ja bei unterbrochenem elektrischem Strom auch die elektrische Spannung am Eingang 41 der Überwachungseinrichtung 40 nahe Null ist und damit als unkritisch bewertet würde.
Ein besonderer Vorteil dieser vorgeschlagenen Schutzvorrichtung 100 besteht ins besondere darin, dass der Messwiderstand 32 sehr klein sein kann und damit die eigentliche Temperaturmessung mittels des elektronischen Bauteils 30 nur minimal verfälscht. Vorteilhaft ist ein Widerstandswert kleiner als 1% des Minimalwertes des elektronischen Bauteils 30 über den gesamten Arbeitstemperaturbereich des elektri schen Energiespeichers 300, besonders vorteilhaft ist ein Widerstandswert kleiner als 0.3% des Minimalwertes des elektronischen Bauteils 30 über den gesamten Arbeits temperaturbereich des elektrischen Energiespeichers 300. Beispielsweise kann der Messwiderstand 32 1 Ohm sein, während jener einer Schmelzsicherung für einen derart geringen elektrischen Strom typischerweise 10 Ohm beträgt. Die Überwa chungseinrichtung 40 muss nämlich nicht in der Lage sein, den elektrischen Strom durch das elektronische Bauteil 30 im Normalbetrieb zu erfassen, sondern nur im Überstrom-Fehlerfall.
Dadurch lässt sich diese Variante der vorgeschlagenen Schutzvorrichtung 100 besonders günstig und einfach realisieren.
Bekannt sind integrierte Schaltkreise mit Eingängen, die für eine Batteriestrom messung vorgesehen sind, und bei zu hohem elektrischem Strom in einen Alarm- Zustand gehen. Ein derartiger integrierter Schaltkreis ist ebenfalls geeignet, um in der Anordnung von Fig. 13 eingesetzt zu werden, wobei dann ein Stromeingang der Über wachungseinrichtung 40 als Messeingang verwendet wird. Ein zu hoher elektrischer Strom durch das elektronische Bauteil 30 wird von einer solchen Überwachungsein richtung 40 dann als zu hoher Batteriestrom interpretiert, was ebenfalls zur Alarmaus lösung führt.
Fig. 14 zeigt ein prinzipielles Schaltbild einer weiteren Ausführungsform einer vorge schlagenen Schutzvorrichtung 100. Erkennbar ist, dass bei dieser Variante eine un abhängige Schaltung auf Basis einer Komparatorschaltung 33 (Schmitt Trigger) den elektrischen Strom durch das elektronische Bauteil 30 unterbrechen kann. Eine zusätzliche Beschaltung der Verstärkungseinrichtung 33 über z.B. geeignete Widerstände ist nicht dargestellt. Der elektrische Spannungsabfall über dem Messwiderstand 32 löst in der Komparatorschaltung 33 eine Änderung des Ausgangs pegels auf nahe Null V aus. Dies zieht das Gate bzw. die Basis des elektronischen Schalters 50 nach Low, so dass der elektronische Schalter 50 nicht mehr leitet, unabhängig vom Ausgang 42 (Alarmausgang) der Überwachungseinrichtung 40.
Dabei verfügt die Komparatorschaltung 33 über eine Mitkopplung, so dass sie ihren Zustand (d.h. Ausgang auf Null V) beibehält, auch wenn das Messsignal am Eingang nicht mehr anliegt. Diese Variante kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn an der Überwachungseinrichtung 40 kein Eingang mehr frei ist und/oder die Überwachungs einrichtung 40 keine Stromüberwachung aufweist.
Fig. 15 zeigt ein prinzipielles Schalbild mit einerweiteren Ausführungsform einer vorgeschlagenen Schutzvorrichtung 100. Diese Variante ist insbesondere dann zu bevorzugen, wenn das System darauf ausgelegt ist, im Fehlerfall das elektronische Bauteil 30 in Form des NTC-Temperatursensors zu überbrücken. Erkennbar ist ein Sicherungselement 34 (z.B. Schmelzsicherung) in Reihe mit dem elektronischen Bauteil 30, zu dem der elektronische Schalter 50 parallel geschaltet ist. Eine Be sonderheit dieser Schmelzsicherung besteht darin, dass sie nicht auf den elektrischen Strom ausgelegt sein muss, der im Fehlerfall durch das elektronische Bauteil 30 fließt, sondern auf einen höheren elektrischen Strom. Im Normalbetrieb wird das Sicherungs element 34 nicht ausgelöst. Dies ist deshalb günstig, weil das Sicherungselement 34 dann einen niedrigen elektrischen Widerstand haben kann und die Temperatur messung im Nennbetrieb nur geringfügig verfälscht.
Vorgesehen ist, dass die Überwachungseinrichtung 40 den elektronischen Schalter 50 im Normalbetrieb sporadisch bzw. zyklisch für definiert kurze Zeit einschaltet. Vorzugs weise wird die Zeit dabei derart kurz gewählt, dass die angeschlossene Verwaltungs vorrichtung 400 (Tool oder Ladegerät) dies noch nicht als Fehler erkennt. Beispiels weise kann diese Zykluszeit 50ms betragen.
Falls am Eingangskontakt des elektronischen Bauteils 30 jetzt eine hohe elektrische Spannung anliegt, deren Stromfähigkeit nicht begrenzt ist, gibt der elektronische Schalter 50 während dieser Zeit den Weg für einen hohen elektrischen Strom frei, der geeignet ist, das Sicherungselement 34 auszulösen bzw. zu zerstören.
Beispielsweise kann das Sicherungselement 34 als eine Leiterbahnsicherung (engl trace fuse) ausgebildet sein. Nach IPC-2221 kann z.B. bei einer Leiterbahnbreite von 0,1mm eine Temperaturerhöhung bei 1 ,1 A um 60°C bewirkt werden.
In einer Alternative kann das Sicherungselement 34 auch als ein Fusible-Resistor ausgebildet sein. Fig. 16 zeigt einen prinzipiellen Ablauf eines Verfahrens zum Betreiben einer Schutzvorrichtung 100 für ein an einer Schnittstelle 200 angeschlossenes elektronisches Bauteil 30. In einem Schritt 500 wird ein Erfassen eines elektrischen Spannungsabfalls an einem in Serie mit dem elektronischen Bauteil 30 geschalteten Messwiderstand 32 durchgeführt.
In einem Schritt 510 wird ein Abschalten des elektronischen Bauteils 30 im Falle eines Überschreitens einer definierten Abschaltschwelle des elektrischen
Spannungsabfalls durchgeführt.

Claims

Ansprüche
1. Schutzvorrichtung (100) für ein an eine Schnittstelle (200) angeschlossenes elektronisches Bauteil (30), aufweisend: ein mit dem elektronischen Bauteil (30) in Serie geschaltetes Aus gleichselement (31); wobei das Ausgleichselement (31) einen positiven Temperaturkoeffizienten seines elektrischen Widerstands aufweist und wobei das Ausgleichs element (31) über die Schnittstelle (200) an einen Pol oder an einen Messkontakt (203) eines elektrischen Energiespeichers (300) ange schlossen ist; wobei das elektronische Bauteil (30) und das Ausgleichselement (31) thermisch miteinander gekoppelt sind.
2. Schutzvorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauteil (30) ein NTC oder ein Kodierwiderstand ist.
3. Schutzvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kopplung durch eine definierte räumliche Nähe oder durch eine Verbindung über eine elektrische Leiterbahn und/oder durch einen definierten Wärmeübergangswiderstand zwischen Bauteil (30) und Ausgleichselement (31) bereitgestellt ist.
4. Schutzvorrichtung (100) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kopplung zwischen dem elektronischen Bauteil (30) und dem Ausgleichselement (31) derart ist, dass ein Auslösen des Ausgleichs elements (31) durch Erwärmung des elektronischen Bauteils (30) begünstigt wird.
5. Schutzvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauteil (30) für eine Temperaturmessung verwendet wird, wobei das elektronische Bauteil (30) und das Ausgleichselement (31) betreffend ihrer Temperaturgänge derart aufeinander abgestimmt sind, dass in einem relevanten Temperatur messbereich eine Temperaturmessung nicht signifikant verfälscht wird, wobei außerhalb des relevanten Temperaturmessbereichs das Ausgleichs element (31) definiert hochohmig wird.
6. Schutzvorrichtung (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der relevante Temperaturmessbereich zwischen ca. -20°C und ca. +80°C liegt.
7. Schutzvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gleichgewichtstemperatur des elektronischen Bauteils (30) und des Ausgleichselements (31) derart ist, dass bei maximaler Betriebsspannung eines elektrischen Energiespeichers Zellen des elektrischen Energiespei chers nicht gefährdet sind, wobei die sich einstellende Gleichgewichtstem peratur abhängig ist von dem Schnittpunkt der Gradienten der Kennlinien des zu schützenden Bauteils (30) und des Ausgleichselements (31).
8. Schutzvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass ein Temperaturmessfehler aufgrund der Widerstandsmessung von elektronischem Bauteil (30) und Ausgleichsele ment (31) im gesamten Temperaturarbeitsbereich des elektrischen Energiespeichers maximal definiert festgelegt wird.
9. Schutzvorrichtung (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Widerstandswert des Ausgleichselements (31) definiert klein gegenüber einem Widerstandswert des zu schützenden Bauteils (30) ist.
10. Schutzvorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein aufgrund des Ausgleichselements verursachter Fehler der Temperaturmessung nicht größer als 5%, insbesondere nicht größer als 1% beträgt.
11. Schutzvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauteil (30) und das Ausgleichselement (31) mit einem wärmeleitfähigen Material gekoppelt sind.
12. Schutzvorrichtung (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das elektronische Bauteil (30) und das Ausgleichselement (31) als SMD- Bauteile ausgebildet sind, wobei das elektronische Bauteil (30) und das Ausgleichselement (31) wenigstens eine auf Wärmeübertragung ausgelegte, gemeinsame Kupferfläche aufweisen.
13. Elektrischer Energiespeicher, insbesondere Akkupack, aufweisend eine Schutzvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
14. Verfahren zum Herstellen einer Schutzvorrichtung (100) für ein an eine
Schnittstelle (200) angeschlossenes elektronischen Bauteil (30), wobei an die Schnittstelle (200) ein elektrischer Energiespeicher (300) angeschlossen ist, aufweisend die Schritte:
- Anschließen des Bauteils (30) an einen Pol oder Messkontakt (203) des elektrischen Energiespeichers (300);
Serielles Schalten eines Ausgleichselements (31) zwischen einen Pol (201, 202) des elektrischen Energiespeichers und das elektronische Bauteil (30) oder zwischen das elektronische Bauteil (30) und einen Messkontakt (203), wobei das Ausgleichselement (31) einen positiven Temperaturkoeffizient des elektrischen Widerstands aufweist; und
- wobei das Bauteil (30) und das Ausgleichselement (31) thermisch miteinander gekoppelt werden.
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