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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren
zum Bestimmen des Betriebszustandes eines Autos. Im besonderen stellt die
vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Schützen und
Aufrechterhalten der Ladung innerhalb einer Batterie bereit.
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Kraftfahrzeuge,
wie beispielsweise Autos, Schiffe, LKW und dergleichen, umfassen
beinahe universell eine zur Motorzündung verwendete Batterie.
Die Batterie ist auch elektrisch mit anderen elektrischen Lasten
in dem Fahrzeug, wie beispielsweise Warnblinklampen, Radios, Fahrscheinwerfer
usw. verbunden. Typischerweise liefert ein vom Motor angetriebener
Generator einen elektrischen Strom zum Wiederaufladen der Batterie.
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Oftmals
wird der Motor ausgeschaltet und die Batterie fährt fort, eine elektrische
Last in dem Fahrzeug anzutreiben, und infolgedessen wird die Batterie
entladen. In manchen Fällen
kann dies nachteilig sein, wie beispielsweise, wenn die Scheinwerfer angelassen
werden, das Radio angelassen wird, der Zündschlüssel in der ersten, das Zubehör mit Strom versorgenden
oder An-Stellung gelassen wird, oder durch eine Fehlfunktion in
dem elektrischen Schaltkreis. In jedem Fall und nach einer Zeitdauer
wird sich die Batterie bis zu einem solchen Ausmaß entladen,
daß das
Anlassen des Motors unter Verwendung der Ladung in der Batterie
unmöglich
ist.
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Um
einen minimalen Schwellenladungswert in einer Kraftfahrzeugbatterie
aufrechtzuerhalten, wäre
es dementsprechend erwünscht,
ein Batterieschutzsystem zu besitzen, das die Battertie von einer
elektrischen Last trennen würde,
wenn sich die Batterie unter einen Sollwert entlädt. Zusätzlich müßte das System den gegenwärtigen Zustand
des Fahrzeugs (d.h. laufender Motor) und die Art des elektrischen
Systems, das von der Batterie angetrieben wird (d.h. Warnblinklampen),
unterscheiden können, um
das System mit einem "ausfallsicheren" Schutzsystem zu
versehen, so daß die
Batterie beim Antrieb kritischer Systeme nicht getrennt wird.
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Es
wird außerdem
erforderlich sein, daß das System
bestimmt, wann die Batterie wieder in Verbindung gebracht werden
soll, um derartige Systeme anzutreiben.
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Beim
Verbinden der Batterie mit einer Gleichstromversorgung mit dem gleichen
Spannungsnennwert, wie beispielsweise ein Batterieladegerät, müssen die
Batterie und die Versorgung mit zueinander passenden Polaritäten angeschlossen
werden. Wenn die Polaritäten
nicht passen, könnte
eine Starkstrombedingung auftreten. Das Ergebnis wird eine mögliche Beschädigung der
Batterie oder der elektrischen Komponenten des Fahrzeugs sein.
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Eine ähnliche
Situation kann auftreten, wenn der Fahrzeugführer versucht, ein Fahrzeug,
das eine tote Batterie aufweist, "überbrückt zu starten", indem Starthilfekabel
verwendet werden, um die tote Batterie mit einem Fahrzeug mit einer
voll aufgeladenen Batterie zu verbinden. Es ist wichtig, daß die positive Klemme
der ersten Batterie mit der positiven Klemme der zweiten Batterie
verbunden wird und genauso die negativen Klemmen. Es ist jedoch
nicht immer möglich,
ein richtiges Zusammenführen
der Polarität
zu garantieren. In einer ersten Situation kann es sein, daß ein ungeschulter
Fahrzeugführer
nicht weiß,
wie die Starthilfekabel richtig anzuschließen sind. In einer zweiten
Situation kann es schwierig sein, die Polaritäten der Batterien zu bestimmen.
Diese letztere Situation kann auftreten, wenn die die Polarität anzeigenden
Kennzeichen an den Batterien mit Öl und Schmutz bedeckt sind,
bei Nacht, wenn die Kennzeichen schwierig zu lesen sind, oder bei
der Hast und Frustration beim Versuch, ein Auto während extrem schlechter
Wetterbedingungen überbrückt zu starten. Selbst
unter idealen Umständen
können
gelegentlich dennoch aufgrund einfachen Übersehens Fehler beim Zusammenführen der
Polaritäten
auftreten.
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In
den Fällen,
in denen Polaritäten
während eines
Versuchs, ein liegengebliebenes Auto zu starten, falsch zusammengeführt werden,
kann der Fehler nicht nur eine Beschädigung der elektrischen Systeme
beider Fahrzeuge bewirken, sondern eine derartige Beschädigung kann
auch dazu führen,
daß beide
Fahrzeuge an einem fernen Ort lahmgelegt werden. Aus diesem Grund
ist es sehr erwünscht, eine
falsche Zusammenführung
von Batteriepolaritäten
zu verhindern, wenn ein Fahrzeugführer versucht, ein liegengebliebenes
Fahrzeug überbrückt zu starten.
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In
DE 38 41 769 A1 ist
eine Schaltung zur Sicherstellung der Startenergie in Kraftfahrzeugen
mit Verbrennungsmotoren beschrieben. Eine Start-Batterie, ein Anlasser, ein Bordgenerator
und eine Zündung
sind elektrisch miteinander und über
die Schaltung mit dem Kfz-Bordnetz, anderen Verbrauchern sowie einer
Zusatzbatterie verbunden. Die Schaltung umfasst ein Relais, mittels
dessen die Start-Batterie, der Anlasser, der Bordgenerator und die
Zündung
mit dem Kfz-Bordnetz verbindbar oder von diesem trennbar sind. Bei
Start und Erreichen der Bordgenerator-Nenndrehzahl erhält das Relais einen Einschaltimpuls
und gleichzeitig wird die Schaltung vom Bordgenerator entkoppelt.
Bei Stillstand des Bordgenerators wird die Spannung der Batterie
mit einem Sollwert verglichen und bei Unterschreiten des Sollwerts wird
das Relais geöffnet.
Die Schaltung wird nicht direkt vom Pluspol der Batterie, sondern über den
geschlossenen Relais-Schalterkontakt mit Spannung versorgt und verbraucht
daher nach Abschalten des Kfz-Bordnetzes keine Energie.
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In
DE 199 31 144 A1 ist
ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Fahrzeug-Bordnetzes beschrieben.
Das Bordnetz besitzt eine Batterie und einen durch eine Antriebsmaschine
des Fahrzeugs antreibbaren Generator zum Laden einer Batterie und
zum Speisen von elektrischen Verbrauchern, denen unterschiedliche
Prioritäten
zugeordnet werden. Das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte: a)
Erhöhen
der Leerlaufdrehzahl bei aktivem Generator, falls der Bordnetzzustand
einen Grenzwert unterschreitet und die Motordrehzahl unter einem
oberen Leerlaufbereich n
max liegt, b) sukzessives
Abschalten der Verbraucher in umgekehrter Reihenfolge ihrer Priorität, falls
nach Verfahrensschritt a) noch immer der Grenzwert für den kritischen
Bordnetzzustand unterschritten wird oder die Motordrehzahl über dem
oberen Leerlaufbereich n
max liegt, wobei nach
jeder Maßnahme
der Bordnetzzustand erneut überprüft wird
oder c) Abschalten von Standbeleuchtungen, falls der Grenzwert für den Bordnetzzustand bei
inaktivem Generator unterschritten wird und/oder bei dem vor Aktivierung
von Hochstrom-Verbrauchern elektrische Verbraucher mit geringer
Priorität abgeschaltet
werden. Weiterhin ist es für
ein anderes System beschrieben, dass elektrische Verbraucher, die
für den
sicheren Betrieb des Kraftfahrzeuges nicht zwingend notwendig sind,
in Gruppen unterteilt werden und die Verbraucher dieser einzelnen
Gruppen in Abhängigkeit
von dem Ladungszustand einer diese versorgenden Batterie abgeschaltet
werden bzw. durch eine getaktete Bestromung nur eine reduzierte
Leistung zur Verfügung
gestellt bekommen.
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In
DE 197 06 946 C2 ist
eine Batterieüberwachungseinheit
beschrieben, die eine Sense-FET-Schaltungsanordnung mit einem Leistungs-FET-Teil
besitzt, der in eine Batteriezuleitung geschaltet ist. Der Leistungs-FET-Teil
besteht aus zwei parallel geschalteten Leistungs-FET-Gruppen, von
denen jede eine eigene Gateansteuerung besitzt. Der als Leistungsschalter
dienende Leistungs-FET-Teil kann dazu dienen, bei Anwendung als Fremdnutzungsschutz
für das
Kraftfahrzeug oder zur Kurzschlusssicherung die Batterie von Verbrauchern zu
trennen. Eine Sense-MOSFET-Gruppe dient zusammen mit anderen Bauelementen
zur Erfassung des Stroms in der Batterieleitung. Werte des Sense-Stroms
werden einem Mikrocontroller zugeführt und in diesem gespeichert.
Beispielsweise kann mittels des Mikrocontrollers der Ladezustand
der Batterie ermittelt werden.
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In
DE 43 41 826 A1 sind
zwei Verfahren zur Bestimmung des Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers,
aus dem ein Anlasser einer von einer Steuereinrichtung beeinflussbaren
Hubkolben-Brennkraftmaschine und/oder andere elektrische Verbraucher
mit elektrischer Energie versorgbar sind, beschrieben. Bei dem ersten
Verfahren werden während
des Anlassvorgangs die Spannung, der fließende Strom und die Temperatur
des Energiespeichers gemessen. Weiterhin wird wenigstens ein Zeitpunkt
erfasst, der in Beziehung steht zum Durchlauf wenigstens eines Hubkolbens
durch eine Totpunktlage, und es wird ein Spannungswert zu diesem Zeitpunkt
gespeichert. Aus dem Spannungswert wird in eine den Ladezustand
charakterisierende Größe abgeleitet.
Die Bestimmung der Totpunktlage kann durch zweimalige Differentiation
des Stromverlaufs ermittelt werden. Bei dem zweiten Verfahren wird
neben der Messung der Spannung und der Temperatur zweimal der aus
dem Energiespeicher abfließende Strom
und bezogen auf den Anfangszeitpunkt des Anlassvorgangs nach Ablauf
einer vorgegebenen Zeitspanne zeitgleich ein Stromwert mit zugehörigem Spannungswert
erfasst. Aus den Wertepaaren wird eine Ist-Charakteristik für den zeitlichen
Verlauf des Innenwiderstands des Energiespeichers ermittelt und mit
Ladezuständen
zugeordneten Referenzcharakteristiken verglichen.
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Es
gibt dementsprechend einen Bedarf für ein Batterieschutzsystem,
das die Beschädigung
der Batterie infolge von Kurzschlüssen oder ungeeigneten Überbrückungsstartbedingungen
verhindert. Es gibt zusätzlich
auch einen Bedarf für
ein Batterieschutzsystem, bei dem die Batterie eine mi nimale Ladung
behält,
um wesentliche Systeme, wie beispielsweise den Anlasser eines Kraftfahrzeugs,
zu betätigen.
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Ein
intelligentes Batteriesystem, das dafür entworfen ist, einen Anlaßschutz
bereitzustellen, umfaßt
zusätzliche
Merkmale, wie beispielsweise einen Batterieentladungsschutz.
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Der
Anlaßschutz
verwendet einen elektronischen Schalter, d.h. FET, der öffnet, um
die Batterie von der elektrischen Fahrzeuglast zu trennen und somit
zu garantieren, daß immer
eine angemessene Anlaßenergie
verfügbar
ist. Das Wiederverbinden der Batterie ist für den Benutzer transparent.
Ein Wiederverbinden tritt auf, wenn das Bremspedal niedergedrückt wird,
die Warnblinklampen eingeschaltet werden oder der Anlasser eingeschaltet
wird. Wenn die Warnblinklampen aktiviert sind, wird das Batterieschutzsystem
daran gehindert, die Batterie zu trennen. Wenn der Motor läuft, wird
das Batterieschutzsystem daran gehindert, die Batterie von der Fahrzeuglast
zu trennen. Ein Handschalter ist als Sicherheit verfügbar.
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Wenn
ein direkter Kurzschluß zwischen
der negativen und der positiven Batterieklemme des Batterieschutzsystems
auftritt, wie es beispielsweise bei einem Unfall geschehen kann, öffnet der
elektronische Schalter, wodurch die Batterie von der Fahrzeuglast
getrennt wird. Wenn zusätzlich
ein Überbrückungsstart
mit umgekehrter Polarität,
d.h. Verpolung, versucht wird, wird die Batterie getrennt. Die Schutzmerkmale
bei Kurzschluß und
Verpolung können
Teil einer einfacheren Ausführungsform
sein, die nicht die Anlaßschutzmerkmale
umfaßt.
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Eine
beispielhafte Ausführungsform
der Hemmungs-Trennungs-Detektion umfaßt die Detektion von Wechselstromsignalen
an der elektrischen Fahrzeuglast, die eine Aktivierung von Warnblinklampen
oder eine Bedingung eines laufenden Motors darstellen. Die transparente
Detektion detektiert auch vorübergehende Änderungen
in einer Gleichspannung über
die elektrische Fahrzeuglast hinweg, während offener Zustände des
FET.
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Eine
beispielhafte Ausführungsform
eines alleinstehenden Kurzschluß- und Verpolungssystems umfaßt den elektronischen
Schalter und eine Detektionsbedingung für einen übermäßigen Stromzug. Die Detektion
eines übermäßigen Stromzuges
würde keine
Motorstartbedingung umfassen, die normalerweise eine Bedingung mit
relativ starkem Strom ist.
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Das
Batterieschutzsystem umfaßt
einen Handschalter, der es erlaubt, daß das Batterieschutzsystem
ausgeschaltet werden kann. Wenn dieser Schalter in der Aus-Stellung
ist, ist die Batterie getrennt. Wenn der Schalter in der An-Stellung
ist, ist das Batterieschutzsystem in Betrieb.
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Die
Erfindung wird im folgenden beispielhaft anhand der Zeichnungen
beschrieben, in diesen zeigt:
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1 ein
Blockdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung,
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2 und 3 die
Entleerung einer Batterie unter Motorstartbedingungen,
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4 ein
Flußdiagramm
einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung,
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5 eine
Wechselstromwellenform der Batteriespannung, die eine Motor-An-Bedingung
angibt,
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6 eine
Wechselstromwellenform der Batteriespannung, die eine Wechselstromwellenform der
Warnblinklampen angibt,
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7 ein
Blockdiagramm eines transparenten Wiederverbindungsuntersystems,
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8 eine
beispielhafte Ausführungsform eines
vereinfachten Überbrückungsstartschutzsystems,
und
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9 ein
Flußdiagramm,
das Teile einer Befehlsfolge veranschaulicht, die von dem Steueralgorithmus
der vorliegenden Anmeldung angewandt wird.
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Es
ist der Zweck des Batterieschutzsystems, die Batterie vor Entladung über den
Punkt hinaus zu schützen,
bei dem die verbleibende Batterieenergie in der Lage ist, den Motor
zu starten. Dies wird gemäß einem
in einem Mikroprozessor gespeicherten Algorithmus bewerkstelligt,
der, neben anderen Dingen, die Batteriespannung, die Umgebungstemperatur
und die Zeit mißt.
Auf der Grundlage der Werte dieser Eingänge wird der Mikroprozessor
die Batterie von der Last und/oder dem elektrischen Stromzug trennen,
um einen minimalen Ladungswert zu bewahren, nämlich eine ausreichende Ladungsmenge, um
Anlaßenergie
für den
Anlasser des Autos bereitzustellen. Ein automatisches Trennen wird
durch Soft ware geschaltet, so daß, wenn die Batteriespannung
sich nach dem Trennen wieder erholt, die Batterie getrennt bleibt.
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Das
Batterieschutzsystem ist auch derart gestaltet, daß es einen "ausfallsicheren" Betrieb aufweist,
um das Trennen der Batterie in bestimmten Situationen zu verhindern,
beispielsweise wenn der Motor läuft
oder die Warnblinklampen aktiv sind. Das System benutzt auch ein
Mittel zum Unterscheiden der Wechselstromwellenformen, die durch
die Batterieklemmen infolge einer Aktivität der Motorzündung und
Warnblinklampen erscheinen. Wenn diese Wellenformen vorhanden sind,
wird die Software, die einen Mustererkennungsalgorithmus verwendet,
um diese Bedingungen zu detektieren, dann verhindern, daß die Trennung
der Batterie auftritt. Wenn beispielsweise das Batterieladesystem
ausfallen sollte, wodurch zugelassen wird, daß sich die Batterie bis unter
einen Punkt entlädt,
bei dem die Batterie nicht in der Lage sein wird, das Auto erneut
zu starten, und der Motor läuft,
würde die
Batterie dennoch verbunden sein.
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Wenn
das System die Batterie automatisch getrennt hat, wird es die Batterie
automatisch wieder verbinden, wenn das System eine gewisse elektrische
Aktivität
erfaßt,
wie beispielsweise das Niederdrücken
des Bremspedals (eine Funktion, die die Bremsleuchten leuchten läßt), das
Einschalten der Zündung
(eine Funktion, die den Solenoid des Anlassers manipuliert) und
die Aktivierung der Warnblinklampen des Fahrzeugs. Mit anderen Worten
kann das System detektieren, wenn irgendjemand beabsichtigt, das
Fahrzeug zu starten und zu fahren, und wird dementsprechend sicherstellen,
daß die
Batterie wieder verbunden ist.
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Nach
einem Trennungsbetrieb wird über
eine Zeitdauer von annähernd
10 Sekunden, nachdem das System die Batterie getrennt hat, verhindert,
daß die
Einheit einen Wiederverbindungszustand detektiert. Die Warteperiode
ist in der Software programmiert, um zuzulassen, daß sich die
Spannung an dem 12-V-Bus "beruhigen" kann, nachdem das
Trennen der Batterie aufgetreten ist.
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Wenn
die Batterie in Abhängigkeit
von einer Anforderung eines Fahrzeugstarts wieder verbunden wird,
wird das System bis zu 20 Sekunden zulassen, damit der Motor gestartet
werden kann. Sobald 20 Sekunden verstrichen sind und die Batterieladung unter
dem Schwellenpegel zum Liefern einer Ladung an den Anlasser liegt,
kann die Batterie wieder automatisch getrennt werden, wenn der Motor
noch nicht läuft
oder die Warnblinklampen nicht aktiv sind.
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Es
ist eine zweite Funktion des Batterieschutzsystems, die Batterie
in dem Fall eines übermäßig hohen
Batteriestromes automatisch zu trennen. Ein übermäßig hoher Strom würde aus
einem Kurzschluß auf
das Chassis des 12 V-Busses resultieren, wie er bei einem Unfall
oder wegen eines falschen Anschließens einer externen Batterie
in einem Bemühen,
das Auto überbrückt zu starten,
auftreten könnte.
Eine Trennung dieser Art wird nicht unterbunden, selbst wenn der
Motor an ist oder die Warnblinklampen an sind. Wenn diese Art einer
Batterietrennung auftritt (im Gegensatz zu der Trennung der Batterie
im schwach geladenen Zustand) verhindert die Software ein automatisches
Wiederverbinden. Die einzige Möglichkeit,
die Batterie in dieser Situation wieder zu verbinden, ist es, einen
An/Aus-Schalter des
Batterieschutzsystems zu betätigen.
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Der
An/Aus-Schalter des Batterieschutzsystems kann dazu verwendet werden,
die Batterie von dem Auto von Hand zu trennen (AUS), was praktisch jede
Last beseitigt, die an der Batterie vorhanden ist (einschließlich der
parasitären
Fahrzeuglast). Jedoch wird die Einheit diesen Schalter umgehen,
während der
Motor läuft
oder die Warnblinklampen aktiv sind, um zu verhindern, daß der Fahrer
die Batterie unter diesen Bedingungen trennt. Der Schalter kann
gegebenenfalls auch dazu verwendet werden, ein Wiederverbinden zu
bewirken (Schalter auf AUS, dann AN).
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Das
Batterieschutzsystem erfordert nur elektrische Verbindungen an den
Batterieklemmen. Es sind aufgrund der Tatsache, daß das Wiederverbindungssignal,
das Warnblinklampen-An-Signal und das Motor-An-Signal alle durch
die Batterieklemmen hindurch detektiert werden können, keine weiteren elektrischen
Verbindungen erforderlich.
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Das
Batterieschutzsystem kann in sieben Unterabschnitte unterteilt werden,
die umfassen: 1) Batterietrennungspunktbestimmung; 2) Überstromdetektion;
3) transparente Wiederverbindungsdetektion; 4) Motor-An/-Warnblinklampen-An-Detektion;
5) FET-Array- und Umgebungslufttemperaturdetektion; 6) FET-Gate-Steuerung
und 7) Handschalter/Schalterumgehung. Der Mikrocontroller empfängt einen Eingang
für die
Abschnitte 1 bis 5 und liefert einen Ausgang für die Abschnitte 6 und 7.
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Die
Batterietrennungspunktbestimmung wird in dem Mikroprozessor bewerkstelligt,
indem die zeitliche Änderungsrate
der Batteriespannung und die Umgebungstemperatur gemessen werden
und diese Meßwerte
mit im Mikroprozessorspeicher gespeicherten Batterieentladungskurven
verglichen werden. Die 2 und 3 veranschaulichen
typische Kurven von zeit lichen Änderungsraten.
Die Batteriespannung wird von dem Mikroprozessor über einen Spannungsteiler überwacht.
Wenn der Ladezustand der Batterie derart ist, daß jede weitere Reduktion der Batterieladung
einen Motorstart verhindern könnte, wird
der Mikroprozessor bewirken, daß ein
Feldeffekttransistor-Array (FET-Array) ausschaltet, wodurch die
Last von der Batterie getrennt wird.
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Die Überstromdetektion
wird durch einen Differenzverstärker
mit Eingängen
von der Source und der Drain des FET-Arrays bereitgestellt. Der
Ausgang des Differenzverstärkers
ist als solcher eine Spannung, die proportional zu dem durch das FET-Array
fließenden
Strom ist. Ein Komparatorausgang wird auf high gehen, wenn der FET-Strom über den
Schwellenwert ansteigt, der als der negative Eingang eines Verstärkers festgelegt
ist. Sonst bleibt der Verstärkerausgang
low. Jedesmal dann, wenn der Verstärkerausgang auf high geht,
wird dies einen sofortigen Interrupt in der Software in dem Mikroprozessor
bewirken, auf den der Mikroprozessor ansprechen wird, indem dem
FET-Array befohlen wird, auszuschalten. Die Mikroprozessor-Software
wird verhindern, daß ein
Wiederverbinden auftritt, nachdem eine Überstromtrennung aufgetreten
ist. Es ist die einzige Möglichkeit,
das FET-Array in diesem Fall wieder einzuschalten, das Batterieschutzsystem
mit dem An/Aus-Handschalter aus- und dann wieder einzuschalten.
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Das
transparente Wiederverbindungsdetektionssystem arbeitet, nachdem
dem FET-Array befohlen worden ist, aufgrund niedriger Batterieladung auszuschalten,
indem ein parallel zu dem FET-Array liegender 6,2-K-Widerstand bis zu
2 mA zu den Fahrzeuglasten leitet. Wenn der Fahrer auf das Bremspedal
tritt (oder den Zündschalter
auf "Start" stellt oder die Warnblinklampen
einschaltet), tritt aufgrund einer Schwankung in der Last, die an
dem Batterieschutzsystem vorhanden ist, eine sprungartige Spannungsänderung
in dem 6,2-K-Widerstand auf. Diese sprungartige Spannungsänderung
wird von einem Verstärker
U2C verstärkt
und dann an einen zweiten Verstärker
ausgegeben. Ein Verstärkereingang
wird von dem RC-Netz gefiltert, während der andere Eingang nicht
gefiltert wird. Dies bewirkt eine momentane Spannungsdifferenz an
den Eingängen
des Verstärkers,
die bewirkt, daß der
Ausgang des Verstärkers jedesmal
dann, wenn die sprungartige Änderung
auftritt, momentan auf high geht. Ein hoher Ausgang von dem Verstärker wird
bewirken, daß ein
sofortiger Interrupt in der Software auftritt, wenn das FET-Array aufgrund
einer schwachen Batterie ausgeschaltet wurde. Sonst wird jeder Ausgang
von dem Verstärker von
dem Mikroprozessor ignoriert. Dies ist in der Software festgelegt.
Der Mikroprozessor wird auf diesen Interrupt durch Einschalten des
FET-Arrays antworten. Die Software wird das FET-Array für mindestens
zwanzig Sekunden eingeschalten halten (es sei denn, es wird ein Überstromzustand
detektiert), um zuzulassen, daß der
Fahrer das Auto starten kann. Nach zwanzig Sekunden würde ein
weiteres Batterietrennen auftreten, wenn das Auto nicht gestartet worden
ist oder die Warnblinklampen nicht aktiv sind.
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Das
Motor-An/Warnblinklampen-An-Detektionsuntersystem verwendet die
Wechselstromkomponente jedes Signals, das zwischen den positiven und
negativen Batterieklemmen auftritt, als einen Eingang und verstärkt sie
und sendet sie dann zum Mikroprozessor, der dann diese Wellenform
in Echtzeit abtastet. Wenn der Motor läuft, weist die Wellenform ein
Profil auf, das in bezug auf den Frequenzbereich und die Amplitude
einzigartig gegenüber
jeglichen anderen Komponenten oder Bedingungen ist, die ein Signal
zwischen den positiven und negativen Batterieklemmen erzeugen werden.
Wenn die Warnblinklampen des Fahrzeugs an sind, ist das erzeugte Wellenformprofil
ebenfalls einzigartig. Der Mikroprozessor vergleicht die abgetastete
Wellenform mit in dem Speicher gespeicherten Daten, um zu bestimmen,
ob der Motor läuft
oder die Warnblinklampen an sind. Wenn eines davon der Fall ist,
verhindert die Software, daß eine
Trennung auftritt (außer
im Fall einer Überstrombedingungen).
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Die
FET-Gate-Steuerung arbeitet, wenn die Software bestimmt, daß das FET-Array
eingeschaltet werden sollte (Batterie verbunden). Der Mikroprozessor
befiehlt, daß ein
Schaltkreis die Gates des FET-Arrays auf high steuert. Die Schaltung
enthält eine
Ladepumpe, die einen Ausgang liefert, der ungefähr 11 V über der Batteriespannung liegt.
Dies ist erforderlich, um die Verwendung von N-Kanal-FETs zuzulassen,
die signifikant kostengünstiger
als P-Kanal-FETs sind, es jedoch erfordern, daß die Gates ausreichend über der
Batteriespannung angesteuert werden, um diese vollständig einzuschalten.
Wenn im Gegensatz dazu die Software bestimmt, daß das FET-Array ausgeschaltet
werden sollte (Batterie getrennt) befiehlt der Mikroprozessor der
Steuerschaltung, die FET-Gates auf Masse zu ziehen.
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Der
Handschalter und/oder die Schalterumgehung ist auf der Seite der
physikalischen Ausführungsform
des Batterieschutzsystems montiert und wird dazu verwendet, das
Batterieschutzsystem an- und abzuschalten. Alle an der Batterie
anliegenden Lasten werden beseitigt, wenn sich der Schalter in der
Aus-Stellung befindet, mit der Ausnahme des Leckagestroms des FET-Arrays.
Die Schalter-Aus-Stellung würde
ausgewählt
werden, wenn das Auto über lange
Zeit gelagert wird, da sie die parasitäre Fahrzeuglast von der Batterie
praktisch beseitigt, die bei dem geparkten Fahrzeug 20 mA oder mehr
betragen kann. Eine parasitäre
Fahrzeuglast kann die Anlaßfähigkeit
in nur zwei Monaten außer
Kraft setzen.
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Es
ist jedoch wichtig, daß das
Batterieschutzsystem angeschaltet ist, während der Motor läuft oder
die Warnblinklampen aktiv sind, um die Batterie verbunden zu halten.
Deshalb liegt ein Transistor parallel zu dem Handschalter, und es
wird diesem durch Software befohlen, den Schalter zu umgehen, wodurch
der Strom aufrechterhalten wird, während der Motor läuft oder
die Warnblinklampen aktiv sind.
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Eine
Umgebungs- und FET-Array-Temperaturdetektion ist notwendig, wenn
der Motor nicht in der Lage sein sollte, zu starten, wie es während des Anlassens
erwartet wird, da es möglich
wäre, daß die maximal
zulässige
Betriebstemperatur des FET-Arrays überschritten wird, was zu einem
FET-Ausfall führt.
Um dies zu verhindern, ist ein Thermistor an dem FET-Array angebracht,
der eine Spannung liefert, die proportional zur Temperatur an dem
Mikroprozessor ist. Der Mikroprozessor tastet diesen Eingang kontinuierlich
ab, und wenn die Temperatur über
die programmierte Grenze hinaus ansteigt, wird das FET-Array ausgeschaltet
(natürlich
es sei denn, daß der
Motor läuft
oder die Warnblinklampen aktiv sind). Nachdem das FET-Array sich
angemessen abgekühlt
hat, wird die Software dem FET-Array befehlen, wieder einzuschalten. Ähnlich wird
die Umgebungslufttemperatur von dem Mikroprozessor überwacht
und bei der Bestimmung des Batterietrennungspunktes verwendet (siehe
oben).
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Der
Zustand der Batterie unter Last ist eine Funktion von mehreren Faktoren,
die die Last, die Zeit unter der Last, die Temperatur der Batterie, das Alter
der Batterie, die Anzahl Male, die die Batterie entladen worden
ist, und den Pegel der Entladung umfassen.
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1 ist
eine beispielhafte Ausführungsform eines
vollständigen
Batterieschutzsystems 10. Es gibt mehrere Merkmale eines
Batterieschutzsystems. Diese umfassen: Anlaßschutz, Kurzschlußschutz, Verpolungsschutz
und Lagerungsmodusschutz.
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Ein
Grundelement des Batterieschutzsystems ist die Verwendung von einem
oder mehreren parallel geschalteten, elektronischen Schaltern (FETs),
die sich unter bestimmten Befehlen von dem Batterieschutzsystem öffnen und
die elektrische Fahrzeuglast trennen. Der Vorteil eines elektronischen
Schalters gegenüber
elektrisch gesteuerten mechanischen Schaltern ist das Freisein von
Lichtbogenbildung unter Starkstrombedingungen. Mechanische Schalter
sind auch anfällig
für Verschmutzung infolge
von den in einem Motorbereich des Fahrzeuges vorhandenen Umgebungsbedingungen.
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Ein
weiteres Schlüsselmerkmal
des Batterieschutzsystems ist das Wiederverbinden der Batterie,
das auftritt, ohne daß es
dem Benutzer bewußt wird.
Das Wiederverbinden tritt unter mindestens drei programmierten Bedingungen
auf. Diese umfassen: Niederdrücken
des Bremspedals, Zündschalter "START" und die Aktivierung
der Warnblinklampen. Ein Handwiederverbindungsschalter ist als Sicherheit
verfügbar.
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Wenn
zusätzlich
die Warnblinklampen aktiviert sind oder der Motor läuft, wird
das Batterieschutzsystem daran gehindert, die Batterie von der Fahrzeuglast
zu trennen.
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1 veranschaulicht
eine beispielhafte Ausführungsform
eines Batterieschutzsystems 10. Die positive Klemme einer
Batterie 12 ist mit einem B+-Eingang einer Leiterplatte (nicht gezeigt)
des Batterieschutzsystems 10 verbunden. Zusätzlich ist
die positive Klemme der Batterie 12 auch mit den Drain-Anschlüssen eines
FET-Arrays 14 verbunden. Das FET-Array 14 besteht
aus mehreren elektronischen Schaltern (FETs) oder Gates. Es gibt
bei der beispielhaften Ausführungsform
vier derartige FETs, da ein einzelner FET nicht in der Lage ist,
mit der Stromlast umzugehen. Abhängig
von der Stromlast oder der zu erwartenden Stromlast können jedoch weniger
oder mehr FETs in dem Array 14 verwendet werden, und wenn
außerdem
ein einzelner FET in der Lage ist, die zu erwartende Stromlast zu
tragen, kann ein einzelner FET verwendet werden.
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Die
Sourcen der FETs sind mit einer Fahrzeuglast 16 verbunden.
Zusätzlich
sind die Gates des Arrays 14 an den Ausgang eines Gate-Ansteuerungsschaltkreises
oder FET-Treibers 18 gekoppelt. Eine Fahrzeuglast 16 ist
auch mit einem Lastmeßeingang 20 des
Batterieschutzsystems verbunden. Das Batterieschutzsystem der vorliegenden
Anmeldung erfordert nur drei Verbindungen mit der Verkabelung des
Autos. Dies erlaubt es, daß das
Batterieschutzsystem an die Klemmen einer Batterie montiert sein kann,
wobei der positive Verbinder der Last mit dem Ausgang des Batterieschutzsystems
verbunden ist. Der Ausgang befindet sich elektrisch an der Verbindungsstelle
der Source-Klemmen der FETs und der Verbindungsstelle, die in 1 als 20 bezeichnet
ist.
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Im
Grunde stellt das System einen Schalter zwischen der positiven Klemme
der Batterie und der Last bereit. Die FET-Gate-Signale sind derart, daß die FETs
für eine
gegebene Batterie und einen gegebenen Lastzustand geöffnet werden,
wodurch die Batterie getrennt wird. Es ist wichtig anzumerken, daß der Widerstand 22 parallel
zu den FET-Source- und Drain-Anschlüssen liegt,
so daß,
wenn die FETs eine offene Bedingung erzeugen, eine kleine Menge Strom
von weniger als 2 Milliampere von der Batterie durch die Last hindurch
fließt.
Ein beispielhafter Wert des Widerstandes sind 6 KOhm. Wenn die FETs
offen sind, wird eine Änderung
der Last als eine Spannungsänderung
am Lastmeßeingang 20 erscheinen. Ein
Verstärker
U2 24 liefert die Spannungsänderung an einen Interrupt-Eingang
eines Mikroprozessors 26.
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Dieses
Messen der Spannung kann dazu verwendet werden, zu detektieren,
ob ein Bediener ein Bremspedal niederdrückt oder den Zündschalter einschaltet.
Diese Handlungen weisen den Ausgang DOUT des Mikroprozessors an,
die FETs des Arrays 14 über
die Gate-Ansteuerung 18 einzuschalten. Zusätzlich wird
der Mikroprozessor die FETs des Arrays 14 anweisen, einzuschalten
oder geschlossen zu bleiben, wobei eine Batteriespannung an die
Last zum Starten des Fahrzeugs angelegt wird.
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Es
ist die Hauptfunktion des Batterieschutzsystems, zu verhindern,
daß die
Batterie über
ihre Fähigkeit,
das Fahrzeug zu starten, hinaus entleert wird. Der Batteriezustand
ist vorwiegend eine Funktion der Batteriestromladung und des Batteriestromzuges
unter Last über
eine Zeitdauer. Die Batteriespannung wird an einen Analog/Digital-Eingang
des Mikroprozessors 26 über
Q1, der als Schalter wirkt, gekoppelt.
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Der
Mikroprozessor weist einen Zählereingang 28 auf,
der an einen Oszillator 30 gekoppelt ist, der dem Mikroprozessor
Zeitdaten liefert. Zusätzlich empfängt der
Mikroprozessor einen Eingang von einem Differenzverstärker 32,
der eine Spannungsdifferenz zwischen der FET-Drain-Spannung und
der Source-Spannung liefert. Diese Spannung stellt den Stromzug
durch die Last dar. Es ist nicht notwendig, daß die Detektion sehr genau
ist. Für
die Zwecke des Batterieschutzsystems ist es nur notwendig, die Größenordnung
zu kennen, wie beispielsweise weniger als 1 Ampere, weniger als
10 Ampere, weniger als 100 Ampere, weniger als 1000 Ampere oder
weniger als 2000 Ampere.
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Ein
zweiter Analog/Digital-Eingang 34 ist an einen ersten Thermistorschaltkreis 36 gekoppelt,
um die Batterietemperatur zu messen. Wie es oben diskutiert wurde,
wird die gemessene Batterietemperatur von dem Mikroprozessor 26 dazu
verwendet, eine geeignete Batteriespannung zu bestimmen, bei der die
FETs des Arrays 14 betrieben werden.
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Ein
dritter Analog/Digital-Eingang 38 ist an einen zweiten
Thermistorschaltkreis 40 gekoppelt. Dieser Thermistor mißt die Temperatur
der FETs, um die FETs vor einer Beschädigung durch einen Betrieb über ihren
Betriebsbereich hinaus zu schützen.
Die problematische Temperatur liegt signifikant über irgendeiner Umgebungstemperatur,
die das Kraftfahrzeug im Gebrauch vorfinden kann. Die betreffenden Temperaturen
sind Übertemperaturen,
die durch einen übermäßigen Stromfluß durch
die FETs hervorgerufen werden. Ein beispielhafter Wert einer FET-Grenztemperatur
ist 150°C.
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Ein
EEPROM 42 liefert die Programmierinformation an den Mikroprozessor 26 über einen
Eingang 44. In diesem Programm sind die Eigenschaften des
mit dem Fahrzeug verwendeten Batterietyps eingeschlossen. Auf der
Grundlage dieser Programmierung bestimmt das System die Batteriespannung, bei
der die Fahrzeuglast getrennt wird.
-
Das
Batterieschutzsystem weist einen AN/AUS-Schalter 46 und
einen Schalterumgehungstransistor 40 in Verbindung mit
dem Mikroprozessor 26 auf. Wenn der Schalter 46 geschlossen
ist, ist die Batteriespannung mit einem 5-Volt-Regler 48 verbunden,
der Strom an die Schaltung des Systems liefert. Zusätzlich liefert
er die Batteriespannung an einen Spannungsteiler 50, der
an einen VBAT-Eingang des Mikroprozessors gekoppelt ist, der die
Gleichspannung in ein digitales Signal umwandelt, das die Batteriespannung
darstellt. Ein Ausgang 52 des Mikroprozessors 26 liefert
eine Schalterumgehungsfunktion.
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Unter
Verwendung der Batteriespannung, der Zeit des Stromzuges, der Größenordnung
für den Stromzug
und der Batterietemperatur bestimmt der Mikroprozessor einen Batteriespannungspegel,
bei dem die Gate-Ansteuerung 18 bewirkt, daß die FETs des
Arrays 14 öffnen
und die Fahrzeuglast getrennt wird.
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Während eines
normalen Betriebs des Fahrzeugs liefert der Generator des Fahrzeugs
die Energie zum Betreiben des Fahrzeugs. Dies hält wiederum die Spannung bei
VBAT auf einem Pegel über
der durch das System bestimmten Grenzspannung. Bei ausgeschaltetem
Motor und ohne Betrieb der Warnblinklampen ist die Batterie einer
Entleerung ausgesetzt, die von der Fahrzeuglast abhängt, die
durch versehentliche Handlungen des Be dieners bewirkt wird, wie
das Anlassen der Scheinwerfer, der Innenbeleuchtung oder weiterer
Zubehöreinrichtungen. Das
System mißt
die Entleerung, indem der Spannungsabfall über eine Zeitdauer gemessen
wird. Der relative Strompegel ist auch durch das Messen der Spannung über die
FET-Drain-zu-FET-Source-Anschlüsse
bekannt. Die Umgebungslufttemperatur ist ebenfalls bekannt. Diese
Daten werden in dem Mikroprozessor an den Anschlüssen 54, 28, 34 und 56 eingegeben.
Wenn der Mikroprozessor bestimmt, daß eine besondere Batteriespannung
erreicht worden ist, weist die Gate-Ansteuerung 18 die FET-Schalter
an, zu öffnen
und die Fahrzeuglast von der Batterie zu trennen.
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Wenn
jedoch, wie es oben angegeben ist, bestimmte Bedingungen vorhanden
sind, wird der Mikroprozessor 26 daran gehindert, die Fahrzeuglast 16 von
der Batterie 12 zu trennen. Ein Verstärker 58 ist mit dem
Mikroprozessor 26 verbunden und liefert eine Umgehungsfunktion,
wenn der Motor an ist, gestartet wird oder die Warnblinklampen an
sind. Die Anwesenheit dieser Signale wird das Ausschalten der FET-Schalter
verhindern. Zusätzlich
wird der Verstärker 24 die
Aktivierung von einer dieser Einrichtungen detektieren, um die FETs
wieder einzuschalten, wenn die FET-Schalter in der Aus-Stellung sind.
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Falls
der Bediener die Fußbremse
niederdrückt,
wenn die FETs in der Aus-Stellung sind, wird zusätzlich das Niederdrücken der
Fußbremse
einen Schalter schließen,
der bewirkt, daß ein
Bremslicht des Fahrzeuges zu leuchten versucht. Das Leuchten des
Bremslichts wird eine Änderung
des Hilfsstromes (trickle current) durch den Widerstand 22 hindurch bewirken.
Der Verstärker 24 detektiert
die Änderung, und
das System wird angewiesen, aufzuwachen und die FET-Schalter lange
genug wieder zu verbinden, damit der Bediener versuchen kann, das
Fahrzeug zu starten.
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Dementsprechend
werden der Verstärker und
der Mikroprozessor die Änderung
des Stroms durch den Widerstand 22 detektieren, die durch
dieses Drücken
auf die Fußbremse
bewirkt wird.
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Das
Verfahren des Systems zum Erfassen der Anwesenheit von Zündung, Warnblinklampen
an und anderer bekannter Bedingungen erlaubt einen hohen Vertrauensgrad
bei der Unterscheidung von Motor-An- und Warnblinklampenbedingungen
von anderer elektrischer Aktivität.
Die Motor-An-Bedingung
erzeugt eine besondere Rauschbedingung an der Batteriespannung,
die detektierbar ist und verschieden ist von anderem Rauschen und
vorübergehenden
Zuständen
in dem elektrischen System eines Fahrzeugs.
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5 veranschaulicht
die Wechselstromwellenform, die von dem elektrischen System erzeugt
wird, wenn der Motor an ist. 6 veranschaulicht
die von den Warnblinklampen erzeugte Wechselstromwellenform, wenn
diese an sind. Es ist unwahrscheinlich, daß irgendein anderer Teil des
elektrischen Systems eine Wechselstromwellenform mit der Wechselstromamplitude
erzeugen wird, die von dem Motor-An- oder Warnblinklampenzustand
gezeigt wird. Die Schaltung des Verstärkers, die die Lastschwankung
detektiert, die das Wiederverbinden der Batterie einleitet, besteht
aus zwei Teilen.
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Der
erste Teil ist ein Verstärker,
der die Wechselstromwellenform verstärkt, die über die elektrische Fahrzeuglast
an der Verbindungsstelle 20 der Source der FETs und der
Fahrzeuglast vorhanden ist. Ein beispielhafter Wert von 0,5 mV ist
ein Schwellenwert, bei dem das System eine Wechselspannungsänderung
detektiert, wenn das Bremspedal betätigt wird. Die Verstärkung des
Verstärkers
500 erzeugt eine Schwellenspannung von 0,25 Volt. Der zweite Teil
ist ein Komparator, in den die verstärkte Schwellenspannung eingegeben
wird. Der Komparator ist derart eingestellt, daß ein Rechteckwellenimpuls
an einem Interrupt-Anschluß des
Mikrocontrollers erzeugt wird.
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Der
Verstärker 58 empfängt die
Wechselstromkomponente des Signals, das an der Verbindungsstelle 20 aufgrund
der Motorzündungs-
oder der Warnblinklampenaktivität
vorhanden ist. Ein beispielhafter Minimalwert würde 50 mV Spitze-Spitze betragen.
Der Verstärker 58 überträgt dieses
Signal mit einer Verstärkung
von 40 zu einem vierten Analog/Digital-Mikroprozessoreingang. Die Frequenz und
die Amplitude dieses Signals sind eine Funktion der Motordrehzahl
(RPM) oder der An/Aus-Frequenz der Warnblinklampen und werden von
dem Mikrocontroller zur Verwendung bei dem Verhindern einer Batterietrennung
unterschieden.
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Andere
Systeme sind abhängig
von der Verbindung zu einem oder mehreren externen Schaltkreisen
zum Erzeugen eines Schalters zur Wiederverbindung des Systems, sobald
die Batterie getrennt worden ist.
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7 veranschaulicht
ein Untersystem 60 des Batterieschutzsystems. Das transparente
Wiederverbindungsuntersystem beruht auf der Detektion einer vorübergehenden Änderung
des Gleichstrompegels an der Fahrzeuglast. Wenn die FET-Schalter in
der Aus-Stellung sind, wie es oben diskutiert wurde, fließt ein Hilfsstrom
von der Batterie durch einen Wider stand mit einem beispielhaften
Wert von 6000 Ohm. Wie es in 1 zu sehen
ist, verläuft
dieser Widerstand elektrisch über
die Drain-bis-Source-Anschlüsse der
FETs des Arrays 14. Wenn ein Bediener die Tür öffnet, das
Bremspedal niederdrückt
oder den Zündschlüssel dreht,
erzeugen diese Handlungen eine vorübergehende Änderung des Gleichspannungspegels über die
Fahrzeuglast hinweg. Dies gilt, obwohl die Spannung über die
Fahrzeuglast hinweg beträchtlich
niedriger als die Batteriespannung ist, aufgrund der Anwesenheit
des 6000-Ohm-Widerstandes in Reihe zwischen der Batterie und der
Fahrzeuglast.
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Das
transparente Wiederverbindungsuntersystem umfaßt einen Verstärker 62 und
einen Komparator 64. Die Zeitkonstante des Kondensators 66 und
des Widerstandes 68 erlaubt es dem Komparator, die vorübergehenden Änderungen
des Gleichstrompegels an der Verbindungsstelle der Fahrzeuglast
von normalem elektrischem Rauschen zu unterscheiden. Dieser Übergang
wird von dem Operationsverstärker
U2C 24 verstärkt
und in den Komparator 64 eingekoppelt. Die Werte der Verstärkung und die
Komparatorsollpegel sind vorbestimmt, so daß der Komparator einen Rücksetzimpuls
erzeugt, der in einen Interrupt/Reset-Eingang 70 des Mikroprozessors 26 eingekoppelt
wird.
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Wie
es oben diskutiert wurde, wird beispielsweise das Niederdrücken des
Bremspedals einen Übergang
an der Fahrzeuglast während
der Zeiten erzeugen, zu denen die FET-Schalter offen sind, was durch
das Wiederverbindungsuntersystem detektiert wird. Wenn das Batterieschutzsystem
in einem Modus arbeitet, durch den die FET-Schalter an sind, wird
der Mikroprozessor derart programmiert, daß die von dem transparenten
Wiederverbindungsuntersystem erzeugten Impulse ignoriert werden.
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Eine
andere Ausführungsform
des Systems kann ein Speichersystem 72 umfassen, das sich
an die Anzahl Male und die Tiefe der Entladung der Batterie sowie
an das Alter der Batterie erinnert und wiederum eine Berechnung
der Batterielebensdauer liefert. Diese kann auch dazu verwendet
werden, den Bediener zu alarmieren, daß sich die Batterie dem Ende
ihrer Lebensdauer nähert.
Es sind keine zusätzlichen
Eingangsdaten erforderlich. Der EEPROM 42 kann die Daten über die
in dem Auto eingebaute Batterie liefern. Es ist aufgrund der Fähigkeit
des Mikroprozessors, Daten in den Speicher des EEPROM zu schreiben
und aus diesem zu lesen, keine zusätzliche Schaltung erforderlich.
Es ist vorteilhaft, einen Rücksetzschalter
mit dem Speicher zu besitzen, der verwendet wird, wenn die Batterie
ausgetauscht wird.
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Ein
anderes Merkmal des Systems ist ein Untersystem, das einen direkten
Kurzschluß zwischen
dem positiven Klemmenausgang über
die Fahrzeuglast 16 hinweg und der negativen Klemme der
Batterie 12 detektiert. Ein derartiger Kurzschluß würde einen Überstrom
durch die elektronischen Schalter des Arrays 14 erzeugen.
Der Überstrom wird
durch einen Starkstromdetektionsschaltkreis 31 detektiert,
der den Mikroprozessor 26 anweist, die elektronischen Schalter
zu öffnen.
Diese Handlung nimmt die übermäßige Last
auf der Batterie 12 weg.
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Die
vorliegende Erfindung ist besonders gut zur Verwendung in einem
Elektronikpaket geeignet, das von der Batterie 12 mit Energie
beaufschlagt wird. Beispielsweise ist in einer bevorzugten und beispielhaften
Ausführungsform
das Elektronikpaket Teil einer intelligenten Batterie, bei der das
Elektronikpaket elektrisch mit einer Klemme/Klemmen der Batte rie 12 verbunden
ist. Das Elektronikpaket der intelligenten Batterie bietet dem Benutzer
eine Vielfalt von Funktionen und ist in der Lage, Information, die
die Batterieleistung und dergleichen betrifft, zu speichern und
zu überwachen.
Das Elektronikpaket benötigt zur
Arbeit Energie und ist somit mit der Batterieklemme verbunden. Der
Klemmenverbinder der vorliegenden Erfindung stellt vorzugsweise
eine elektrische Verbindung zwischen einem internen elektrischen
Verteilungaufbau (nicht gezeigt) innerhalb des Elektronikpakets
und einer Klemme der Batterie 12 bereit.
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Mit
der Verfügbarkeit
einer hohen Integration ist es wahrscheinlich, daß der größte Teil
der Schaltung, die das Batterieschutzsystem umfaßt, in einer einzigen integrierten
Schaltung eingeschlossen sein kann. Das System kann eine einzige
Leiterplatte umfassen, die die Steuerschaltung beherbergt, und eine separate
Leiterplatte, die die FET-Schalter enthält. Die gesamte Einheit kann
derart gepackt sein, daß sie
an die Batterie selbst montierbar ist.
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Die
in 1 gezeigte Ausführungsform der Erfindung trennt
auch die Batterie von der Last, wenn ein Überbrückungsstart nicht korrekt durchgeführt wird.
Ein Überbrückungsstart
ist als das Starten eines Verbrennungsmotors, der eine schwache
oder entladene Batterie aufweist, mittels Überbrückungs- oder Starthilfekabeln
definiert. Eine physikalische Auslegung einer beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung ist derart, daß die
positive Klemme der Batterie solange nicht zugänglich ist, wie das Batterieschutzsystem
verbunden ist. Jedoch ist das Kabel, das normalerweise mit der positiven
Klemme der Batterie verbunden ist, mit einer Ausgangsklemme des
Batterieschutzsystems verbunden, und die negative Klemme der Batterie
ist mit dem Chassis verbunden.
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Ein
Fahrzeug, das das Batterieschutzsystem aufweist, würde hoffentlich
niemals einen Überbrückungsstart
wegen einer entladenen Batterie benötigen. Jedoch ist die Schaltung
des Systems derart ausgebildet, daß ein versehentlicher umgekehrter Anschluß bewirken
wird, daß sich
die FET-Schalter öffnen, wodurch
die Kreuzverbindung beseitigt wird. Wenn eine externe Quelle, wie
beispielsweise ein Ladegerät,
eine Batterie oder das elektrische System eines anderen Fahrzeugs,
derart verbunden ist, daß die
negative Leitung für
die externe Quelle an einem Punkt A verbunden ist, wobei die positive
Klemme der externen Quelle mit dem Chassis verbunden ist, werden
die FETs öffnen,
wodurch der Kurzschluß über die
Batterie hinweg beseitigt wird. Bei der Verbindung wird die Überstrombedingung
durch den Differenzverstärker 32 detektiert,
der bewirkt, daß der Komparatorausgang
auf high geht, was einen Interrupt in dem Mikrocontroller verursacht.
Der Mikrocontroller bewirkt dann, daß der FET-Schalter öffnet. Dies wird eine Lichtbogenbildung
oder andere schädliche
Auswirkungen, die eine falsche Verbindung bewirken kann, verhindern.
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Wenn ähnlich aufgrund
eines Unfalls oder eines anderen ungewöhnlichen Ereignisses ein Kurzschluß mit der
Fahrzeuglast 16 auftritt, wie es in 1 gezeigt
ist, werden die oben beschriebenen Strombegrenzungsfunktionen die
Last von der Batterie trennen, indem die FET-Schalter geöffnet werden.
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Eine
vereinfachte Ausführungsform
der in 1 veranschaulichten Schaltung ist in 8 als 110 gezeigt.
Diese begrenzte Schaltung veranschaulicht eine Ausführungsform,
die auf die Verhinderung der schädlichen
Auswirkungen von einem falschen Überbrückungsstart
und Kurzschlüs sen
in der Fahrzeuglast 116 begrenzt ist. Bei dieser Ausführungsform
ist die Schaltung auf die FET-Schalter des Arrays 114,
eine geregelte Spannungsversorgung 118, einen Starkstromdetektor-Differenzverstärker 122, eine
integrierte Latch-Schaltung 121 und eine FET-Gate-Ansteuerungsschaltung 120 begrenzt.
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Wie
es oben diskutiert wurde, wird das Verbinden einer externen Quelle,
wie beispielsweise eines Ladegerätes,
einer Batterie oder eines anderen Fahrzeugs über die Punkte A und B hinweg,
wenn dieses versehentlich nicht korrekt vorgenommen wird, bewirken,
daß ein Überstrom
durch die FET-Schalter fließt.
Der Überstrom
wird als eine Spannung durch den Differenzverstärker 122 gemessen,
der an einem vorbestimmten Sollpunkt bewirken wird, daß die integrierte
Latch-Schaltung an die Gates der FET-Schalter des Arrays 114 über die Gate-Ansteuerungsschaltung 120 Masse" anlegt. Dies wird
bewirken, daß die
FET-Schalter des Arrays 114 öffnen, wobei die Batterie von
der Last getrennt und somit der Kurzschluß, der durch die umgekehrte Verbindung
oder den Kurzschluß innerhalb
der Fahrzeuglast bewirkt wird, beseitigt wird. Ein Handrücksetzschalter
würde es
dem Benutzer ermöglichen, die
Batterie wieder zu verbinden. Der durch einen derartigen Kurzschluß oder eine
derartig umgekehrte Verbindung bewirkte Strom ist größer als
der zum Starten des Fahrzeugs erforderliche Strom, und daher ist
der vorbestimmte Wert, um zu bewirken, daß das System die Batterie wegnimmt,
größer als
der erforderliche Startstrom. Es ist ein zusätzliches, optionales Merkmal
der Kurzschluß-
oder Überbrückungsstarteinrichtung
des vereinfachten Systems oder des vollständigen Systems, eine LED oder
eine andere Anzeigeeinrichtung einzuschließen, um einen Kurzschluß- oder
verpolten Batteriezustand anzuzeigen.
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Das
Flußdiagramm 210 von 9 veranschaulicht
Teile einer Befehlsfolge, die von den im Mikroprozessor des intelligenten
Batteriesystems gespeicherten Steueralgorithmen angewandt werden. Ein
erster Schritt 212 zeigt ein Rücksetzen oder Einschalten der
intelligenten Batterie. Ein Schritt 214 schaltet das FET-Array
ein, und die Batterie ist mit einer elektrischen Last verbunden.
Nachdem das FET-Array eingeschaltet worden ist, bestimmt ein Entscheidungsknoten 216,
ob der FET-Strom größer ist
als ein maximal zulässiger
FET-Strom bzw. diesen übersteigt.
Wenn der Entscheidungsknoten 216 bestimmt, daß der FET-Strom
den maximal zulässigen Strom übersteigt,
schaltet ein Schritt 217 das FET-Array aus, und die Batterie
ist von einer elektrischen Last getrennt. Schritt 217 weist
das intelligente Batteriesystem an, in dieser Stellung zu bleiben,
bis der Handschalter betätigt
wird, um die Batterie wieder zu verbinden.
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Wenn
der FET-Strom den maximal zulässigen
Strom nicht übersteigt,
bestimmt ein Entscheidungsknoten 218, ob der Fahrzeugmotor
läuft,
was eine Betriebsbedingung ist, in der es unerwünscht wäre, daß der An/Aus-Umgehungsschalter
betätigbar
ist. Dies wird bestimmt, indem eine Signalverarbeitungs- und Mustererkennungssoftware
benutzt wird, bei der die einzigartige Wellenform (5),
die durch den Fahrzeugmotor an den Batterieklemmen erzeugt wird,
mit Profilsignalen verglichen wird, die in dem Speicher des EEPROM
gespeichert sind.
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Wenn
der Entscheidungsknoten 218 bestimmt, daß der Motor
läuft,
umgeht ein Schritt 220 den An/Aus-Schalter, so daß die Fahrzeugbatterie nicht
von Hand getrennt werden kann, und das System kehrt zu dem Entscheidungsknoten 216 zurück. Dies
verhindert, daß das
System die Batte rie trennt. Das manuelle Umgehen wird durch Schritt 220 bewerkstelligt,
der einen Transistor einschaltet, der parallel zu dem An/Aus-Handschalter
liegt.
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Wenn
andererseits der Entscheidungsknoten 218 bestimmt, daß der Motor
nicht läuft,
bestimmt ein Entscheidungsknoten 222, ob die Warnblinklampen
des Fahrzeugs an sind, was eine weitere Betriebsbedingung ist, bei
der es unerwünscht
ist, daß der
An/Aus-Umgehungsschalter betätigbar
ist. Dies wird auch durch Benutzung einer Signalverarbeitungs- und
Mustererkennungssoftware bestimmt, bei der die einzigartige, durch
die Warnblinklampen (6) an den Batterieklemmen erzeugte
Wellenform mit in dem Speicher des EEPROM gespeicherten Profilsignalen
verglichen wird.
-
Das
Erfassen des Motor-An- und Warnblinklampen-Aktiv-Signals wird bewerkstelligt,
indem das Profil der elektrischen Aktivität unterschieden wird, das auf
den 12-V-Bus aufgrund des Zündsystems oder
der Warnblinklampen aufgeprägt
wird. Die Schaltung zum Unterscheiden einer Zündungs- oder Warnblinklampenaktivität trennt
die Wechselstromkomponente aufgrund des Zündsystems von dem Gesamtgleichstrom.
Das Wechselstromsignal wird dann zur Eingabe in den Mikrocontroller
aufbereitet. Der Mikrocontroller bestimmt, ob das Signal mit dem erwarteten
Motor-An-Profil- oder dem Warnblinklampensignal übereinstimmt, oder ob das Signal
aufgrund irgendeiner anderen elektrischen Aktivität, wie beispielsweise
des Kühlergebläsemotors,
des Lüftungsgebläsemotors
usw. erfolgt.
-
Wenn
bestimmt worden ist, daß die
Warnblinklampen des Fahrzeugs an sind, umgeht Schritt 220 dementsprechend
den An/Aus-Schalter, so daß die
Fahrzeugbatterie nicht von Hand getrennt werden kann, und das System
kehrt zum Entscheidungsknoten 216 zurück. Wenn andererseits der Entscheidungsknoten 222 bestimmt,
daß die
Warnblinklampen nicht an sind, umgeht Schritt 224 den An/Aus-Schalter
des Systems nicht.
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Auf
der Grundlage des in dem Mikrocontroller eingearbeiteten Profils
kann dementsprechend die Batterie nur dann getrennt werden, wenn
der Motor nicht an ist oder die Warnblinklampensignale nicht aktiv
sind.
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Nach
Schritt 224 bestimmt ein Entscheidungsknoten 226,
ob die Temperatur des FET-Arrays höher als eine Temperaturgrenze
ist. Wenn dies der Fall ist, schaltet ein Schritt 228 das
FET-Array aus und trennt die Batterie.
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Sobald
die Batterie aufgrund dessen, daß das FET-Array über der
Temperaturgrenze liegt, getrennt worden ist, bestimmt ein Entscheidungsknoten 230,
ob das FET-Array auf einen Punkt unter der Temperaturgrenze abgekühlt ist.
Sobald der Entscheidungsknoten 230 bestimmt hat, daß das FET-Array
unter die Temperaturgrenze abgekühlt
ist, kehrt das System zu Schritt 214 zurück.
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Wenn
andererseits der Entscheidungsknoten 226 bestimmt, daß die Temperatur
des FET-Arrays niedriger als die Temperaturgrenze ist, bestimmt Schritt 232 einen
Trennungsbatteriespannungswert (VDISC). Der Trennungsspannungswert
wird durch einen Computeralgorithmus oder ein Softwareprogramm bestimmt,
das in dem Mikrocontroller des intelligenten Batteriesystems gespeichert
ist. Die Software speichert periodisch eine Reihe von Batteriespannungsauslesungen über die
Zeit, wodurch ein Wert für
die zeitliche Änderungsrate
der Spannung bestimmt wird. Die Software wird auch die Temperaturauslesungen
messen und speichern. Die Software vergleicht dann diese beiden
Werte mit einer im EEPROM gespeicherten Nachschlagetabelle oder
wendet alternativ eine Formel an. Aus diesem Vergleich (oder dieser
Berechnung) kann eine Vorhersage der minimalen zulässigen Batteriespannung
bestimmt werden. Es ist ein einzigartiges Merkmal dieses Verfahrens,
daß es
nicht erfordert, daß der
Batteriestrom gemessen werden muß. Der Batteriestrom (oder
die Batterielast) ist aufgrund der Tatsache bekannt, daß die zeitliche Änderungsrate
der Batteriespannung bekannt ist. Diese Methodik wird anstelle des
Messens des Batteriestromes verwendet. Dementsprechend sind die
Kosten und die Komplexität
der Strommessung nicht erforderlich. Dies läßt es zu, daß das intelligente
Batteriesystem derartige Berechnungen durchführen kann, während es
auch relativ kostengünstig
ist.
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Sobald
die Berechnungen von Schritt 232 abgeschlossen sind, bestimmt
ein Entscheidungsknoten 234, ob eine Batteriespannung (VBAT),
die größer als
die Trennungsbatteriespannung (die bei Schritt 232 bestimmte
VDISC) ist, erreicht worden ist. Wenn dies der Fall ist, kehrt das
System zu Schritt 214 zurück. Wenn andererseits die Batteriespannung niedriger
oder gleich der Batterietrennungsspannung ist, schaltet Schritt 236 das
FET-Array aus, und die Batterie ist getrennt.
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Nachdem
die Batterie durch Schritt 236 getrennt worden ist, bestimmt
ein Entscheidungsknoten 238, ob die Batterie durch das
transparente Wiederverbinden der vorliegenden Anmeldung, wie beispielsweise
das Nieder drücken
des Fahrzeugbremspedals, das Einschalten des Zündschalters oder die Aktivierung
der Warnblinklampen wieder verbunden worden ist.
-
Nach 1 kann
zusammengefaßt
das intelligente Batteriesystem der vorliegenden Anmeldung in sieben
Abschnitte unterteilt werden:
- 1. Batterietrennungspunktbestimmung
- 2. Überstromdetektion
- 3. transparente Wiederverbindungsdetektion
- 4. Motor-An/Warnblinklampen-An-Detektion
- 5. FET-Array- und Umgebungslufttemperaturdetektion
- 6. FET-Gate-Steuerung
- 7. Handschalter/Schalterumgehung
-
Hier
empfängt
der Mikrocontroller 26 einen Eingang für die Abschnitte 1-5 (oben
gekennzeichnet) und liefert einen Ausgang an die Abschnitte 6 und
7 (die ebenfalls oben gekennzeichnet sind).
-
Die
Batterietrennungspunktbestimmung wird in dem Mikrocontroller bewerkstelligt,
indem die zeitliche Änderungsrate
der Batteriespannung und die Umgebungstemperatur gemessen werden
und diese Meßwerte
mit den in dem Speicher des Mikrocontrollers 26 gespeicherten
Batterieentladungskurven verglichen werden. Die Batteriespannung
wird durch den Mikrocontroller 26 über den Spannungsteiler überwacht.
Wenn der Ladezustand der Batterie derart ist, daß jede weitere Verringerung
der Batterieladung einen Motorstart unmöglich machen könnte, wird
der Mikrocontroller 26 bewirken, daß das FET-Array ausschaltet,
wodurch die Last von der Batterie getrennt wird.
-
Die Überstromdetektion
wird durch einen Differenzverstärker
bewerkstelligt, der Eingänge
von der Source und der Drain des FET-Arrays empfängt, so daß der Ausgang des Differenzverstärkers eine Spannung
ist, die proportional zu dem durch das FET-Array fließenden Strom
ist. Der Komparatorausgang wird auf high gehen, wenn der FET-Strom über den
Schwellenwert ansteigt, der als der negative Eingang des Komparators
festgelegt ist, ansonsten bleibt der Ausgang low. Jedesmal dann,
wenn der Ausgang auf high geht, wird dies einen sofortigen Interrupt
in der Software bewirken, auf den der Mikrocontroller 26 ansprechen
wird, indem dem FET-Array befohlen
wird, auszuschalten. Die Mikrocontroller-Software wird verhindern,
daß ein
Wiederverbinden auftritt, nachdem ein Überstromtrennen aufgetreten
ist, wobei der einzige Weg, das FET-Array in diesem Fall wieder
einzuschalten, ist, die intelligente Batterieeinheit mit dem An/Aus-Handschalter
aus- und dann wieder einzuschalten.
-
Im
Hinblick auf die transparente Wiederverbindungsdetektion kann, nachdem
dem FET-Array aufgrund einer niedrigen Batteriespannung befohlen worden
ist, auszuschalten, der parallel zu dem FET-Array liegende 6,2-K-Widerstand
bis zu 2 mA zu den Fahrzeuglasten leiten. Wenn dementsprechend der
Fahrer auf das Bremspedal tritt (oder den Zündschalter auf "Start" dreht oder die Warnblinklampen einschaltet),
tritt eine sprungartige Änderung
der Spannung in dem 6,2-K-Widerstand aufgrund einer Schwankung in
der Last auf, die dem intelligenten Batteriesystem vorgesetzt wird.
Diese sprungartige Änderung
der Spannung wird mit 24 verstärkt und dann an 64 ausgegeben.
Ein Eingang wird durch das RC-Netz der Widerstände und des Kondensators gefiltert,
und der andere Eingang wird nicht gefiltert, wobei dies eine momentane
Spannungsdifferenz am Eingang von 64 bewirkt, die hervorruft,
daß der
Ausgang von 64 momentan jedesmal dann auf high gehen wird,
wenn die sprungartige Änderung
auftritt. Ein high-Ausgang von 64 wird bewirken, daß ein sofortiger
Interrupt in der Software des Mikrocontrollers nur dann auftritt,
wenn das FET-Array aufgrund einer schwachen Batterie ausgeschaltet
war. Sonst wird jeder Ausgang von 64 von dem Mikrocontroller
ignoriert, da dies in der Software des Mikrocontrollers festgelegt
ist. Der Mikrocontroller wird auf diesen Interrupt durch Einschalten
des FET-Arrays antworten. Die Software wird das FET-Array für mindestens
20 Sekunden eingeschaltet halten (es sei denn, es wird ein Überstromzustand
detektiert), um es einem Bediener zu erlauben, das Fahrzeug zu starten.
Nach 20 Sekunden könnte
ein weiteres Batterietrennen auftreten, wenn das Auto nicht gestartet
worden ist oder wenn die Warnblinklampen nicht aktiv sind.
-
Hinsichtlich
der Motor-An/Warnblinklampen-An-Detektion wird die Wechselstromkomponente
jedes Signals, das zwischen den positiven und negativen Batterieklemmen
erscheint, in einen Verstärker 58 eingegeben,
der das Signal verstärkt
und es zu dem Mikrocontroller überträgt, der
dann diese Wellenform in Echtzeit abtastet. Wenn der Motor läuft, weist
die Wellenform ein Profil auf, das in bezug auf den Frequenzbereich
und die Amplitude (5) einzigartig ist. Wenn ähnlich die
Warnblinklampen an sind, ist das Wellenformprofil ebenfalls einzigartig (6).
Der Mikrocontroller vergleicht die abgetastete Wellenform mit den
in dem Speicher gespeicherten Daten, um zu bestimmen, ob der Motor
läuft oder die
Warnblinklampen an sind. Wenn mit der Ausnahme im Fall einer Überstrombedingung
eine der beiden Bedingungen vorhanden ist, wird die Software verhindern,
daß eine
Trennung auftritt.
-
Bei
der FET-Gate-Steuerung befiehlt der Mikrocontroller, daß der Gate-Treiber die Gates
des FET-Arrays auf high ansteuern soll, wenn die Software bestimmt
hat, daß das
FET-Array eingeschaltet werden sollte (Batterie verbunden). Der
Gate-Treiber enthält
eine Ladepumpe, die einen Ausgang liefert, der ungefähr 11 V über der
Batteriespannung liegt. Dies ist erforderlich, um die Verwendung
von N-Kanal-FETs zu erlauben, die signifikant kostengünstiger sind
als P-Kanal-FETs, es aber erfordern, daß die Gates ausreichend über der
Batteriespannung angesteuert werden, um sie vollständig einzuschalten.
Im Gegensatz dazu und wenn die Software bestimmt, daß das FET-Array
ausgeschaltet werden sollte (Batterie getrennt), befiehlt der Mikrocontroller
dem Gate-Treiber die FET-Gates auf Masse zu ziehen.
-
Bei
dem Handschalter/der Handschalterumgehung wird der Handschalter,
der auf der Seite der intelligenten Batterie montiert ist, dazu
verwendet, die intelligente Batterieeinheit anzuschalten/abzuschalten.
Alle Lasten, die an der Batterie anliegen, werden weggenommen, wenn
der Schalter sich in der Aus-Stellung befindet, mit der Ausnahme
des Leckagestromes des FET-Arrays. Die Schalter-Aus-Stellung würde ausgewählt werden,
wenn das Auto über
längere
Zeit gelagert werden soll, da sie praktisch die parasitäre Fahrzeuglast
von der Batterie trennt, die bei dem geparkten Fahrzeug 20 mA oder
mehr betragen kann. Eine parasitäre
Fahrzeuglast kann die Anlaßfähigkeit
in weniger als zwei Monaten außer
Kraft setzen.
-
Es
ist jedoch wichtig, daß die
intelligente Batterieeinheit eingeschaltet bleibt, während der
Motor läuft
oder die Warnblinklampen aktiv sind, um die Batterie verbunden zu
halten. Deshalb liegt Q1 parallel zum Handschalter, und es wird
durch die Software des Mikrocontrollers befohlen, den Schalter zu
umgehen, wodurch Energie aufrechterhalten wird, während der
Motor läuft
oder die Warnblinklampen aktiv sind.
-
Bei
einer Umgebungs- und FET-Array-Temperaturdetektion wäre es möglich, wenn
der Motor nicht in der Lage sein sollte, zu starten, wie es während des
Anlassens zu erwarten ist, daß die
maximal zulässige
Betriebstemperatur des FET-Arrays überschritten wird, was zu einem
Ausfall des FET führt. Um
dies zu verhindern, ist ein Thermistor an dem FET-Array angebracht,
der eine zur Temperatur des Mikrocontrollers proportionale Spannung
liefert. Der Mikrocontroller tastet diesen Eingang kontinuierlich ab,
und wenn die Temperatur über
die programmierte Grenze hinaus ansteigt, wird das FET-Array ausgeschaltet
werden (es sei denn, der Motor läuft
oder die Warnblinklampen sind aktiv). Wenn das FET-Array angemessen
abgekühlt
ist, wird die Software dem FET-Array befehlen, wiedereinzuschalten. Ähnlich wird
die Umgebungslufttemperatur von dem Mikrocontroller 24 überwacht
und bei der Bestimmung des Batterietrennungspunktes verwendet.
-
Es
ist natürlich
in Betracht zu ziehen, daß die Werte
der Widerstände
und Kondensatoren des Systems je nach Anwendung variieren können.
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Durch
die Verwendung des Detektionssystems der vorliegenden Anmeldung
wird demgemäß das Erfassen
des An/Aus-Zustandes des Motors und der Warnblinklampensignale bestimmt,
ohne irgendwelche zusätzlichen
Sensoren zu verwenden. Es gibt kein Erfordernis, daß ein zusätzlicher
Draht vom Zündschlüsselschalter
und/oder dem Warnblinklampenschalter mit der intelligenten Elektronik
der Batterie verbunden werden muß. Dies ist besonders bei Anwendungen
nach dem Verkauf vorteilhaft, bei denen der Zugang zur Autoelektronik
sehr begrenzt ist. Zusätzlich
erlaubt dieses Verfahren auch, daß das Detektionssystem, im
Gegensatz zu anderen Motorzustands- und Warnblinklampensignal-Erfassungseinrichtungen,
mit reduzierten Arbeits- und Bauteilkosten eingebaut werden kann.
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Der
Motor-An-Zustand muß auch
im Fall eines ausgefallenen Generatorausgangs bestätigt werden.
Dies schließt
lediglich die Überwachung
der Generatorausgangsspannung zur Überprüfung, ob der Motor läuft, aus.
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Zusammengefaßt betrifft
die Erfindung ein Batterieschutzsystem für eine Batterie mit einem Schaltmechanismus,
der zwischen der positiven Klemme und einer elektrischen Last der
Batterie angeordnet ist. Ein Controller betätigt den Schaltmechanismus
zwischen einer offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung,
wobei die geschlossene Stellung die elektrische Last mit der Batterie
verbindet und die offene Stellung die elektrische Last von der Batterie
trennt. Das Batterieschutzsystem benutzt ein Batterieladezustandsdetektionssystem, welches
den Controller anweist, den Schaltmechanismus zu öffnen, wenn
das Detektionssystem einen Batterieladezustand detektiert, der niedriger
als ein Schwellenwert ist. Das Batterieschutzsystem ist auch mit
einem Fahrzeugzustandsdetektionssystem ausgestattet, das den Controller
anweist, den Schaltmechanismus zu schließen, wenn von dem Fahrzeugzustandsdetektionssystem
eine Fahrzeugstartbedingung detektiert wird.