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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Anordnung von Energiespeichern, insbesondere von Batterien.
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In mobilen Geräten wird die Stromversorgung meist durch Batterien oder wieder aufladbare Batterien gewährleistet. Abhängig von der Bauform liegen mögliche Batteriespannungen in unterschiedlichen Bereichen. Es treten dabei abhängig vom Ladezustand und der Belastung erhebliche Schwankungen der Spannung auf. In vielen mobilen Geräten gibt es daher eine elektronische Power-Management-Einheit in Form einer integrierten Schaltung, die alle für das System erforderlichen Spannungen und Ströme in der passenden Genauigkeit zur Verfügung stellt. Dazu werden beispielsweise Schaltwandler oder auch lineare Spannungsregler verwendet, wobei Schaltwandler den Vorteil haben, mit sehr guter Effizienz zu arbeiten. Grundsätzlich gibt es Wandler, deren Ausgangsspannungen höher als die Batteriespannung sind. Diese werden Aufwärtswandler oder Boostwandler genannt. Es gibt aber auch solche, deren Ausgangsspannung kleiner als die Eingangsspannung ist, die entsprechend Abwärtswandler oder Buckwandler genannt werden. Schließlich gibt es Schaltwandler, die beide genannten Bereiche abzudecken vermögen, so genannte Buck-Boost-Wandler. Diese unterschiedlichen Typen von Gleichspannungswandlern erlauben eine hohe Flexibilität bei der Auswahl der verwendeten Batterietypen.
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Entscheidend für die Akzeptanz eines mobilen Systems beim Kunden ist die Betriebszeit, bis zu der das System betrieben werden kann ohne dass Batterien getauscht oder aufgeladen werden müssen. Diese Betriebszeit resultiert aus der Kapazität der Batterie, der Gesamteffizienz der nachfolgenden Spannungsaufbereitung, sowie dem Stromverbrauch des Gerätes selbst. Der Stromverbrauch ist durch die Applikation selbst bestimmt und die Batteriekapazität in der Regel technologisch beschränkt. Eine oftmals gewünschte Vergrößerung der Gesamteffizienz des Systems ist somit in der Regel durch eine effiziente Versorgungsaufbereitung zu erreichen.
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Ferner kann es zu unerwünschten Situationen kommen, wenn die Batterien getauscht werden und dabei das Gerät kurzfristig außer Betrieb gehen muss. Hinzu kommt die Möglichkeit, dass bei diesem Vorgang Daten verlorengehen können. Ein anderes Problem, dass in mobilen Applikationen immer wieder auftritt, entsteht, wenn etwa eine konstante Ausgangsspannung von zum Beispiel 3,0 V gefordert ist und die Versorgung aus zwei Batterien mit nominal 1,5 V erfolgen soll. Falls diese Batterien in Serie geschaltet werden und noch voll geladen sind, können Leerlaufspannungen bis zu etwa 3,5 V auftreten, während im Laufe der Entladung die Spannung immer weiter absinkt, bis bei etwa 1,8 V die Kapazität der Batterien fast vollständig erschöpft ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Anordnung von Energiespeichern, insbesondere von Batterien, bereitzustellen, das eine höhere Gesamteffizienz zur Verfügung stellt.
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Die Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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In einer Ausführungsform umfasst eine Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Anordnung von Energiespeichern, insbesondere von Batterien, einen Spannungswandler. Ferner ist eine Schalteranordnung vorgesehen, die einen ersten Anschluss zum Anschließen eines ersten Energiespeichers und einen zweiten Anschluss zum Anschließen eines zweiten Energiespeichers aufweist. Zur Stromversorgung ist der Spannungswandler mit der Schalteranordnung verbunden. Des Weiteren ist ein Selektor vorgesehen, der mit dem ersten und zweiten Anschluss verbunden ist.
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Im Betrieb der Schaltungsanordnung sind am ersten und zweiten Anschluss ein erster und zweiter Energiespeicher, bevorzugt Batterien, angeschlossen. Der Selektor ist dabei eingerichtet, am ersten Anschluss eine erste Spannung und am zweiten Anschluss eine zweite Spannung zu messen. Weiterhin verfügt der Selektor über geeignete Komponenten, wie beispielsweise einen Komparator oder eine Logik, um die erste und zweite Spannung miteinander oder einer Referenz zu vergleichen. In Abhängigkeit dieses Vergleichs steuert der Selektor die Schalteranordnung derart, dass der erste oder zweite Energiespeicher oder beide gemeinsam elektrisch leitend mit dem Spannungswandler verbunden werden. Die Schalteranordnung umfasst dazu bevorzugt steuerbare, niederohmige Schalter.
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Mit der vorgestellten Schaltungsanordnung können zwei oder mehrere Batterien einzeln oder gleichzeitig verwendet werden, sodass der angeschlossene Spannungswandler mit einer hohen Effizienz betrieben werden kann. Gleichspannungswandler arbeiten meist umso effizienter, je geringer die Differenz zwischen ihrer Eingangs- und Ausgangsspannung ist. Der erste oder zweite Energiespeicher wird nur solange als Stromquelle verwendet, bis es infolge der eintretenden Entladung effizienter wird, auf den jeweils anderen Energiespeicher umzuschalten. Dazu wird beispielsweise die Summe aus erster und zweiter Spannung mit einer gewünschten Ausgangsspannung verglichen. Das Entladen der beiden Speicher erfolgt somit wechselweise, gewissermaßen als balancierte Entladung. Dies kommt der Lebensdauer der Batterien zugute. Weiterhin ist es möglich, beide Energiespeicher gemeinsam elektrisch leitend mit dem Spannungswandler zu verbinden und so die Effizienz des Spannungswandlers weiter zu verbessern. Der Vergleich der ersten und zweiten Spannung kann zudem auch eine mögliche Tiefenentladung eines der Energiespeicher berücksichtigen und dieser entgegen wirken.
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Die vorgestellte Schaltungsanordnung kann sowohl Aufwärts- wie Abwärtswandler in effizienter Weise ansteuern und mit Spannung versorgen. Ein spezieller Buck-Boost-Wandler kann entfallen, was die Schaltungsanordnung besonders kostengünstig macht.
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In einer weiteren Ausführungsform kann die Schaltungsanordnung in einem seriellen und in einem parallelen Betriebsmodus betrieben werden.
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Die Steuerung zwischen diesen beiden Betriebsmodi erfolgt mittels des Selektors und in Abhängigkeit des Vergleichs der ersten und der zweiten Spannung. Die Schalteranordnung wird dabei durch den Selektor derart gesteuert, dass im parallelen Betriebsmodus wechselweise der erste oder der zweite Energiespeicher elektrisch leitend mit dem Spannungswandler verbunden ist. Im seriellen Betriebsmodus verbindet die Schalteranordnung den ersten und den zweiten Energiespeicher elektrisch leitend mit dem Spannungswandler.
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Mit anderen Worten ist der Selektor in der Lage zwischen seriellem und parallelem Betriebsmodus zu wechseln und dabei die jeweils effizienteste Konfiguration für den Betrieb der Energiespeicher zu wählen. Aufgrund nicht-linearer Effekte verringern hohe Dauerlastströme die Kapazität von Batterien. Ein wechselweises Betreiben mittels des Selektors trägt dazu bei, eine Dauerlast zu vermeiden und zudem einen Erholungseffekt (recovery) der Batterien zu nutzen. Batterien erholen sich gewissermaßen, wenn sie eine zeitlang nicht belastet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird im parallelen Betriebsmodus in Abhängigkeit der jeweils höheren ersten oder zweiten Spannung der erste oder der zweite Energiespeicher mit dem Spannungswandler verbunden.
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Die Spannung ist ein Maß für die Entladung der verwendeten Energiespeicher. Indem jeweils die höhere der Spannungen verwendet wird, können unnötige Leerlaufspannungen vermieden und eine hohe Effizienz der Spannungsversorgung des Spannungswandlers gewährleistet werden.
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Je nach verwendetem Spannungswandler kann es auch notwendig sein, die in Abhängigkeit der jeweils kleineren ersten oder zweiten Spannung den ersten oder den zweiten Energiespeicher mit dem Spannungswandler zu verbinden.
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In einer weiteren Ausführungsform steuert der Selektor die Schalteranordnung im seriellen Betriebsmodus, solange die Summe aus der ersten und der zweiten Spannung kleiner als ein Schwellenwert ist.
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Einen möglichen Schwellenwert stellt die gewünschte Ausgangsspannung der Schaltungsanordnung dar, wie sie vom Spannungswandler an einem Ausgang bereitgestellt wird. Ist die Summe aus erster und der zweiter Spannung kleiner als die gewünschte Ausgangsspannung wird also in den seriellen Betriebsmodus geschaltet.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Selektor eingerichtet, das Messen und Vergleichen kontinuierlich oder periodisch durchzuführen.
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Durch das kontinuierliche oder periodische Überwachen der beiden Betriebszustände werden die Batterien beziehungsweise Energiespeicher ständig überwacht, sodass immer die günstigste Konfiguration gewählt wird. Auf diese Weise kann der Gleichspannungswandler mit besonders guter Effizienz betrieben werden. Es ist ferner möglich, bei der Überwachung zu detektieren, ob ein Energiespeicher entnommen wird und unterbrechungslos auf den verbleibenden Energiespeicher umzuschalten. Die Funktion des Geräts wird nicht abgebrochen und Daten bleiben erhalten. Weiterhin kann auf diese Weise der Energiespeicher auf Tiefentladung überwacht und bei Bedarf aus dem Stromkreis genommen werden.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schalteranordnung einen ersten, zweiten und dritten Schalter. Die Schalter sind bevorzugt als integrierte niederohmige Schalter oder Transistoren ausgeführt. Während eines Schaltvorgangs beziehungsweise Umschaltens können die Schalter hochohmig sein, um einen Kurzschluss zu vermeiden.
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Der erste Schalter koppelt den ersten Anschluss zum Anschließen des ersten Energiespeichers mit dem zweiten Anschluss zum Anschließen des zweiten Energiespeichers. Ferner ist der erste Schalter mit dem Spannungswandler verbunden. Der zweite Schalter koppelt den zweiten Anschluss zum Anschließen des zweiten Energiespeichers mit einem Massenpotential. Der dritte Schalter koppelt einen dritten Anschluss zum Anschließen des zweiten Energiespeichers mit dem ersten Anschluss zum Anschließen des ersten Energiespeichers und mit dem ersten Schalter.
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Am ersten Anschluss ist der erste Energiespeicher mittels eines ersten Pols anschließbar. Am zweiten Anschluss ist der zweite Energiespeicher mittels seines ersten Pols anschließbar. Ein zweiter Pol des zweiten Energiespeichers ist am dritten Anschluss anschließbar.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schaltungsanordnung einen vierten Schalter, wobei der vierte Schalter den ersten Schalter mit dem zweiten Anschluss zum Anschließen des zweiten Energiespeichers koppelt und mit dem Spannungswandler verbunden ist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der erste Energiespeicher lediglich mittels dessen ersten Pols mit der Schalteranordnung und mittels eines zweiten Pols lediglich mit dem Massepotential verbindbar. Der zweite Energiespeicher ist mittels dessen ersten und zweiten Pols mit der Schalteranordnung verbindbar.
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Auf diese Weise sind der erste und zweite Energiespeicher im seriellen Betriebsmodus in Reihe geschaltet.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Selektor eine Vergleicherschaltung.
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Die Vergleicherschaltung ist eingerichtet, die Schalteranordnung derart zu steuern, dass ein Schalten der Schalteranordnung gemäß einer Hysterese erfolgt.
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Auf diese Weise wird ein übersensibles Schalten verhindert. Aufgrund des Innenwiderstandes der Energiespeicher und gerade bei Batterien, bricht die Spannung beim Schalten auf einen der Energiespeicher oft etwas ein. Es kann zu einem ständigen Hin- und Herschalten kommen. Dies kann verhindert werden, indem der ersten und zweiten Spannung ein geeigneter Hysteresebetrag aufgeschlagen wird. Dies kann symmetrisch oder asymmetrisch erfolgen, indem die jeweiligen Beträge für das Hin- und Herschalten unterschiedlich groß gewählt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Spannungswandler einen Aufwärtswandler oder einen Abwärtswandler.
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Die Verwendung eines Aufwärtswandlers oder eines Abwärtswandlers ändert das vorgestellte Grundprinzip nicht. Anpassungen im Vergleich der ersten und zweiten Spannung sind aber notwendig. So wird im parallelen Betriebsmodus bei entsprechend höherer oder kleinerer Spannung der jeweilige Energiespeicher gewählt. Ebenso wird beispielsweise in den seriellen Betriebsmodus gewechselt, wenn die Summe aus erster und zweiter Spannung größer als der Schwellenwert ist.
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In einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Anordnung von Energiespeichern, insbesondere von Batterien, wird zunächst eine erste Spannung an einem ersten Anschluss zum Anschließen eines ersten Energiespeichers und einer zweiten Spannung an einem zweiten Anschluss zum Anschließen eines zweiten Energiespeichers gemessen. Die erste Spannung wird mit der zweiten Spannung verglichen. In der Folge wird in Abhängigkeit des Vergleichs von erster und zweiter Spannung der erste und/oder zweite Energiespeicher ausgewählt, indem der erste oder zweite Energiespeicher oder beide gemeinsam elektrisch leitend mit einem Spannungswandler zu dessen Spannungsversorgung verbunden werden.
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Mit dem vorgestellten Verfahren können zwei oder mehrere Batterien einzeln oder gleichzeitig verwendet werden, sodass der angeschlossene Spannungswandler mit einer hohen Effizienz betrieben werden kann. Gleichspannungswandler arbeiten meist umso effizienter, je geringer die Differenz zwischen ihrer Eingangs- und Ausgangsspannung ist. Der erste oder zweite Energiespeicher wird nur solange als Stromquelle verwendet, bis es infolge der eintretenden Entladung effizienter wird, auf den jeweils anderen Energiespeicher umzuschalten. Dazu erfolgt der Vergleich beispielsweise als Summe aus erster und zweiter Spannung mit einer gewünschten Ausgangsspannung.
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Das Entladen der beiden Energiespeicher erfolgt somit wechselweise, sodass diese Art balancierte Entladung der Lebensdauer und Kapazität der Energiespeicher zugute kommen kann. weiterhin ist es möglich, beide Energiespeicher gemeinsam elektrisch leitend mit dem Spannungswandler zu verbinden und so die Effizienz des Spannungswandlers weiter zu verbessern. Der Vergleich der ersten und zweiten Spannung kann zudem auch eine mögliche Tiefenentladung eines der Energiespeicher berücksichtigen und dieser entgegen wirken.
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Das vorgestellte Verfahren kann sowohl Aufwärts- wie Abwärtswandler in effizienter Weise ansteuern und die Spannungsversorgung sicherstellen. Ein spezieller und teurer Buck-Boost-Wandler kann entfallen.
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In einer weiteren Ausführungsform wird in Abhängigkeit des Vergleichs der ersten mit der zweiten Spannung ein serieller Betriebsmodus oder ein paralleler Betriebsmodus aktiviert.
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Dabei erfolgt das Auswählen des ersten oder zweiten Energiespeichers derart, dass im parallelen Betriebsmodus wechselweise der erste oder der zweite Energiespeicher elektrisch leitend mit dem Spannungswandler verbunden wird. Im seriellen Betriebsmodus hingegen werden der erste und der zweite Energiespeicher gemeinsam elektrisch leitend mit dem Spannungswandler verbunden.
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Mit anderen Worten wird zwischen seriellem und parallelem Betriebsmodus gewechselt und dabei die jeweils effizienteste Konfiguration für den Betrieb der Energiespeicher gewählt. Es ist bekannt, dass aufgrund nicht-linearer Effekte beispielsweise in Batterien hohe Dauerlastströme die Kapazität verringern. Ein wechselweises Betreiben trägt dazu bei, eine Dauerlast zu vermeiden und zudem einen Erholungseffekt (recovery) der Energiespeicher zu nutzen. Gerade Batterien erholen sich gewissermaßen, wenn sie eine zeitlang nicht belastet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird im parallelen Betriebsmodus in Abhängigkeit der jeweils höheren oder kleineren der ersten oder der zweiten Spannung der erste oder der zweite Energiespeicher mit dem Spannungswandler verbunden. Der serielle Betriebsmodus wird aktiviert, wenn die Summe aus erster und zweiter Spannung kleiner oder größer als ein Schwellenwert ist.
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In einer weiteren Ausführungsform wird das Messen und Vergleichen kontinuierlich oder periodisch durchgeführt.
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Durch das kontinuierliche oder periodische Überwachen der beiden Betriebszustände werden die Batterien beziehungsweise Energiespeicher ständig überwacht, sodass immer die günstigste Konfiguration gewählt wird. Auf diese Weise kann der Gleichspannungswandler mit hoher Effizienz betrieben werden. Es ist ferner möglich, bei der Überwachung zu detektieren, ob ein Energiespeicher entnommen wird und unterbrechungslos auf den verbleibenden Energiespeicher umzuschalten. Die Funktion des Geräts wird nicht abgebrochen und Daten bleiben erhalten. Weiterhin kann auf diese Weise der Energiespeicher auf Tiefentladung überwacht und Bedarf aus dem Stromkreis genommen werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert. Soweit sich Schaltungsteile oder Bauelemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
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Es zeigen:
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1 eine beispielhafte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Anordnung von Energiespeichern nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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2 eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Anordnung von Energiespeichern nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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3 bis 7 beispielhafte Spannungsverläufe der Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Anordnung von Energiespeichern nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
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1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform einer Schaltungsanordnung zum Betreiben einer Anordnung von Energiespeichern, hier von Batterien. Die Schaltungsanordnung, die bevorzugt integriert ist, verfügt über einen Gleichspannungswandler DCDC und eine Schalteranordnung umfassend einen ersten, zweiten und dritten Schalter SW1, SW2, SW3. Ferner ist ein Selektor Slct vorgesehen, der zum Steuern der Schaltungsanordnung beziehungsweise der ersten, zweiten und dritten Schalter SW1, SW2, SW3 eingerichtet ist.
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Der Gleichspannungswandler DCDC ist mittels des ersten Schalters SW1 mit einem ersten Anschluss für einen Energiespeicher N_VBat1 gekoppelt. Ferner ist der Gleichspannungswandler DCDC mit einem zweiten Anschluss zum Anschließen eines zweiten Energiespeichers N_VBat2P verbunden. Der zweite Schalter SW2 koppelt ein Massenpotential GND mit einem dritten Anschluss zum Anschließen des zweiten Energiespeichers N_VBat2N. Dieser dritte Anschluss N_VBat2N ist zudem mittels des dritten Schalters SW3 mit dem ersten Schalter SW1 und dem ersten Anschluss N_VBat1 verbunden.
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Der Selektor Slct ist mit Spannungsmessleitungen mit den Anschlüssen N_VBat1, N_VBat2N, N_VBat2P verbunden und verfügt über geeignete Mittel wie Komparatoren oder eine Messlogik, um Spannungen an den Anschlüssen N_VBat1, N_VBat2N, N_VBat2P zu messen.
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Die Batterien Bat1, Bat2 sind mittels ihrer Pole mit der Schaltungsanordnung verbunden, wobei die erste Batterie Bat1 lediglich mit einem ersten Pol P1a am ersten Anschluss N_VBat1 angeschlossen ist. Mit einem zweiten Pol P1b ist die erste Batterie Bat1 mit dem Massenpotential GND verbunden. Die zweite Batterie Bat2 hingegen ist sowohl mit einem ersten und mit einem zweiten Pol P2a, P2b am zweiten beziehungsweise dritten Anschluss N_VBat2P, N_VBat2N an die Schaltungsanordnung angeschlossen.
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Der Gleichspannungswandler DCDC ist in diesem Beispiel nach Art eines Aufwärts- oder Boostwandlers ausgeführt und verschaltet. Dazu weist der Gleichspannungswandler DCDC eine schaltbare Induktivität LX und eine Kapazität C auf, die jeweils mit einem Versorgungseingang VDD verbunden sind, wobei die Induktivität LX mit einem Ausgang VOUT der Schaltungsanordnung gekoppelt ist. Der Gleichspannungswandler DCDC ist mit dem Ausgang VOUT mittels einer resistiven Schleife FB verbunden.
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Der Gleichspannungswandler DCDC steuert Schalter der schaltbaren Induktivität LX und stellt somit eine Ausgangsspannung am Ausgang VOUT in Abhängigkeit einer Versorgungsspannung VDD ein.
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In dieser Ausführungsform handelt es sich um eine Lösung für die Bereiche VBat < VOUT < 2VBat im Neuzustand der Batterien und 2VBat < VOUT im entladenen Zustand, wobei Vbat der Batteriespannung beziehungsweise der Spannung der Energiespeicher und VOUT der gewünschten Ausgangsspannung entsprechen. Es können hier zwei oder mehrere Batterien einzeln oder gleichzeitig verwendet werden, sodass der Gleichspannungswandler DCDC mit einer hohen Effizienz arbeiten kann. Dabei ist der Gleichspannungswandler DCDC grundsätzlich umso effizienter, je geringer die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung ist.
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Die Schaltungsanordnung wird in einem seriellen und parallelen Betriebsmodus ser, par betrieben. Mögliche Schalterstellungen der Schalter SW1, SW2, SW3 in diesen Betriebsmodi sind der Tabelle 1 zu entnehmen. Tabelle 1:
| | Bat1 | Bat2 | Bat1 + Bat2 |
| Modus | par | par | ser |
| SW1 | geschlossen | offen | offen |
| SW2 | offen | geschlossen | offen |
| SW3 | offen | offen | geschlossen |
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Der sich jeweils einstellende Spannungsverlauf wird im Zusammenhang mit den 3 bis 7 erläutert. Sowohl im seriellen wie parallelen Betriebsmodus werden beide Batterien Bat1, Bat2 fortlaufend mittels des Selektors überwacht, der entsprechend der Schalterstellungen der Tabelle 1 die Schalter SW1, SW2, SW3 so steuert, dass die jeweils günstigste Konfiguration gewählt wird. In weiterer Folge wird beim Entnehmen einer Batterie Bat1, Bat2 automatisch und unterbrechungslos auf die andere Batterie umgeschaltet. Die Schaltung gewährleistet auch in diesem Fall eine Spannungsversorgung und Daten eines angeschlossenen Geräts bleiben erhalten. Weiterhin ist der Selektor eingerichtet, die Batterien Bat1, Bat2 auf Tiefentladung zu überwachen und bei Bedarf aus dem Stromkreis zu nehmen.
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Die resultierende Spannung am Versorgungseingang VDD wird zum Betrieb des eingebauten Gleichspannungswandlers DCDC verwendet, kann aber auch zur Versorgung externer Bauteile verwendet werden. Konsequenterweise kann die Schaltungsanordnung nicht nur durch einen oder mehrere Gleichspannungswandler DCDC ergänzt werden, sondern auch durch beliebige andere Schaltungen, die mit einer geeigneten Spannung versorgt werden sollen. Ein anzuschließendes Gerät wird dabei bevorzugt am Ausgang VOUT angeschlossen.
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2 zeigt eine weitere Schaltungsanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Zusätzlich zu den in 1 gezeigten ersten bis dritten Schaltern SW1, SW2, SW3 ist ein vierter Schalter SW4 vorgesehen. Dieser koppelt den Gleichspannungswandler DCDC mit dem zweiten Anschluss N_VBAT2P für einen zweiten Energiespeicher. Mit dieser Konfiguration ist es einfacher, den Zustand des ersten und zweiten Energiespeichers zu überwachen und ungünstige Spannungspotentiale zu vermeiden. Gegenüber der Lösung aus 1 ist dazu etwas mehr Fläche nötig und die Effizienz etwas zurückgesetzt.
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In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform kann der Gleichspannungswandler DCDC einen Abwärts- oder Buckwandler anstelle eines Aufwärts- oder Bugwandlers einsetzen. Dies ist insbesondere für Anwendungen mit Spannungsbereichen von VOUT < VBat an neuen Batterien und VOUT < 2VBat bei entladenen Batterien. Solange die Batterien neu sind, können sie einzeln verwendet werden, um in der Folge im seriellen Betriebsmodus ser in Serie geschaltet zu arbeiten.
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Die Schaltungsanordnung wird ebenfalls in einem seriellen und parallelen Betriebsmodus ser, par betrieben. Mögliche Schalterstellungen der Schalter SW1, SW2, SW3, SW4 in diesen Betriebsmodi sind der Tabelle 2 zu entnehmen. Tabelle 2:
| | Bat1 | Bat2 | Bat1 + Bat2 |
| Modus | par | par | ser |
| SW1 | geschlossen | offen | offen |
| SW2 | geschlossen | geschlossen | offen |
| SW3 | offen | offen | geschlossen |
| SW4 | offen | geschlossen | geschlossen |
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Der sich jeweils einstellende Spannungsverlauf wird im Zusammenhang mit den 3 bis 7 erläutert,
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Die 3 bis 7 zeigen jeweils charakteristische Spannungsverläufe der Schaltungsanordnungen nach 1 bis 2 nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
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3 zeigt einen beispielhaften Spannungsverlauf im parallelen Betriebsmodus par der Schaltungsanordnung nach 1 oder 2. Gezeigt sind je ein Graph für die erste Spannung Vbat1, die zweite Spannung Vbat2 und die Versorgungsspannung VDD des Gleichspannungswandler DCDC auftragen gegen die Zeit t. Zusätzlich sind korrespondierende erste beziehungsweise zweite Ströme Ibat1, Ibat2 eingezeichnet.
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Kommt wie hier ein Aufwärtswandler zum Einsatz, so wird im parallelen Betriebsmodus par nur zunächst je eine der beiden Batterien Bat1, Bat2 als Stromquelle verwendet und daraus die Versorgungsspannung VDD abgeleitet und dem Gleichspannungswandler DCDC zugeführt. Dies erfolgt solange bis durch entsprechende Entladung die Summe der beiden Batteriespannungen Vbat1 + Vbat2 nicht mehr größer als die gewünschte Ausgangsspannung am Ausgang VOUT ist. Auf diese Weise kommt ein stufenartiger Spannungsverlauf zustande, wie er in den Graphen angedeutet ist. Dabei bezeichnet die jeweils fett gezeichnete Kurve die angeliegende beziehungsweise geschaltete Spannung. Die dünner gezeichnete Kurve zeigt die jeweils andere Spannung als Vergleich. Aufgrund der Spannungsverläufe der ersten und zweiten Spannung Vbat1, Vbat2 zeigt auch die Versorgungsspannung VDD einen stufenartigen Verlauf.
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Der Selektor Slct erlaubt eine balancierte Entladung, indem die beiden Batterien Bat1, Bat2 wechselweise mit dem Gleichspannungswandler DCDC mittels der Schalter SW1 bis SW3 beziehungsweise SW4 verbunden werden. Dies kommt insbesondere der Lebensdauer der Batterien zugute. Sobald möglich, werden beide Batterien in Serie geschaltet und so die Effizienz des Aufwärtswandlers weiter verbessert. Der Selektor Slct schaltet den ersten bis dritten Schalter SW1, SW2, SW3 beziehungsweise vierter Schlater SW4 im seriellen und parallelen Betriebszustand ser, par, wobei beide Betriebszustände fortlaufend durch den Selektor Slct überwacht werden. Aufgrund dieser Überwachung ist es möglich, die jeweils günstige Konfiguration der Batterien zu wählen.
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Der Selektor Slct kann in einer weiteren Ausführungsform eine Vergleicherschaltung aufweisen, die eingerichtet ist, die Schalter SW1, SW2, S3 und/oder SW4 derart zu steuern, dass ein Schalten der Schalteranordnung gemäß einer Hysterese erfolgt. 4 zeigt dazu einen beispielhaften Spannungsverlauf für eine symmetrische, 5 eine asymmetrische Hysterese Vhyst1, Vhyst2.
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Aufgrund des Innenwiderstandes der Batterien Bat1, Bat2 bricht die Spannung beim Schalten auf eine der Batterien Bat1, Bat2 oft etwas ein. Es kann zu einem ständigen Hin- und Herschalten zwischen den Batterien Bat1, Bat2 kommen. Dies wird verhindert, indem der ersten und zweiten Spannung Vbat1, Vbat2 ein geeigneter Hysteresebetrag Vhyst1, Vhyst2 aufgeschlagen und erst unter Berücksichtigung dieser Beträge geschaltet wird. Dies kann symmetrisch oder asymmetrisch erfolgen, indem die jeweiligen Beträge für das Hin- und Herschalten unterschiedlich groß gewählt werden.
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Um einen Kurzschluss zwischen den Batterien Bat1, Bat2 zu vermeiden, ist in einer nicht gezeigten Ausführungsform vorgesehen während eines Umschaltvorgangs für einen kurzen Zeitraum die Schalter SW1, SW2, SW3, SW4 hochohmig auszuführen. Der Kondensator des Gleichspannungswandlers am Versorgungseingang VDD führt dazu, dass während des Umschaltens zwischen den Batterien Bat1, Bat2 die Versorgungsspannung nicht für kurze Zeit auf zu geringe Werte absinkt. Außerdem dient er als Eingangskapazität des Gleichspannungswandlers und wirdentsprechend dimensioniert. Kondensatoren der Batterien Bat1, Bat2 an den Eingängen N_Vbat1, N_Vbat2N, N_Vbat2P können ebenfalls helfen, kurzzeitige Störungen wie Spannungsspitzen an den Eingängen zu vermeiden, die zu einem ungewollten Umschalten führen könnten.
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6 zeigt einen beispielhaften Spannungsverlauf im seriellen und parallelen Betriebsmodus ser, par einer Schaltungsanordnung nach 1 oder 2.
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Die Graphen zeigen in Anlehnung an 3 je einen Graph für die erste Spannung Vbat1 und die zweite Spannung Vbat2 sowie die Versorgungsspannung VDD des Gleichspannungswandler DCDC auftragen gegen die Zeit t. Der jeweils linke Teil zeigt den parallelen Betriebsmodus par und das wechselnde Schalten auf eine der beiden Batterien Bat1, Bat2 in Abhängigkeit von ihrem jeweiligen Ladezustand. Sobald ein Schwellenwert Vthr erreicht ist, wird in den seriellen Betriebsmodus ser geschaltet.
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In den vorgestellten Schaltungen der 1 und 2 werden die Batterien Bat1, Bat2 im seriellen Betriebsmodus ser in Reihe geschaltet, so dass die Summe aus erster und zweiter Spannung Vbat1 + Vbat2 auf den Gleichspannungswandler DCDC geführt wird. Als Schwellenwert bietet sich in diesem Fall an, die Summe Vbat1 + Vbat2 mit der gewünschten Ausgangsspannung Vout zu vergleichen.
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Ist die Bedingung für das Einschalten des seriellen Betriebsmodus ser erreicht, so wird nicht mehr zwischen den Batterien Bat1, Bat2 geschaltet und die Versorgungsspannung VDD ergibt sich aus der Reihenschaltung beider Batterien. Dies ist im unteren Graphen als Sprungstelle angedeutet. Im seriellen Betriebsmodus ser beziehungsweise in dem dann vorliegenden Entlandezustand der Batterien Bat1, Bat2 ist die Reihenschaltung die effizienteste Konfiguration zum Betreiben des Gleichspannungswandlers DCDC.
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7 zeigt einen beispielhaften Spannungsverlauf einer Schaltungsanordnung nach 1 oder 2 mit einem dritten Betriebsmodus 100.
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Um die Effizienz der Spannungswandlung weiter zu optimieren kann der dritte Betriebsmodus 100 vorgesehen werden. Unter Ausnutzung einer geeigneten Toleranz der Ausgangsspannung Vout des Aufwärtswandlers wird letzterer in den dritten Betriebsmodus 100 oder sogenannten 100%-Mode geschaltet. Dabei gilt Voutmin < Vbat1 + Vbat2 < Voutmax, wobei Voutmin, Voutmax eine untere und obere Toleranzgrenze für die Ausgangsspannung Vout angeben.
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In diesem Modus oder 100%-Mode wird der Boost-Wandler abgeschaltet und sein Ausgang Vout direkt mit dem Eingang VDD verbunden. Dadurch wird die Effizienz des Gleichspannungswandlers DCDC sehr hoch und es ergibt sich insgesamt ein in 7 dargestellte Spannungs- und Effizienzverlauf E(t).
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In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform ist statt eines Boost- ein Abwärts beziehungsweise Buck-Wandler vorgesehen. Dieser regelt beispielsweise auf eine Ausgangsspannung von Vout = 1,3 V.
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Dabei ändert sich das Vorgehen des Selektors Slct in Bezug auf den Vergleich von erster und zweiter Spannung Vbat1, Vbat2, nicht aber das vorgeschlagene Grundprinzip. Zuerst werden abwechselnd die Batterien im parallelen Betriebsmodus wechselweise entladen, bis beide für sich nicht mehr in der Lage sind, beispielsweise Vout = 1,3V, inklusive eventuelle Toleranz und 100%-Mode, aufzubringen. Dann wir in den seriellen Betriebsmodus ser geschaltet und die verbliebene Ladung in den beiden Batterien Vbat1 + Vbat2 genutzt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Betriebsmodus
- BAT1
- Batterie
- BAT2
- Batterie
- DCDC
- Gleichspannungswandler
- FB
- Feedback-Schleife
- GND
- Massenpotential
- Ibat1
- Batteriestrom
- Ibat2
- Batteriestrom
- LX
- Induktivität
- N_VBAT1
- Anschluss für einen Energiespeicher
- N_VBAT2N
- Anschluss für einen Energiespeicher
- N_VBAT2P
- Anschluss für einen Energiespeicher
- P1a
- Pol
- P1b
- Pol
- P2a
- Pol
- P2b
- Pol
- par
- paralleler Betriebsmodus
- ser
- serieller Betriebsmodus
- Slct
- Selektor
- SW1
- Schalter
- SW2
- Schalter
- SW3
- Schalter
- SW4
- Schalter
- t
- Zeit
- Vbat1
- Batteriespannung
- Vbat2
- Batteriespannung
- VDD
- Versorgungsspannung
- Vhyst1
- Hysterese
- Vhyst2
- Hysterese
- Vthr
- Schwellenwert
- VOUT
- Ausgangsspannung
- Voutmax
- obere Toleranz
- Voutmin
- untere Toleranz
