DE4012362C2 - Steuereinheit zur Steuerung der Leistungszufuhr von einer Batterie zu einem Elektromotor eines Elektrofahrzeugs - Google Patents

Steuereinheit zur Steuerung der Leistungszufuhr von einer Batterie zu einem Elektromotor eines Elektrofahrzeugs

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Steuereinheit zur Steuerung der Leistungszufuhr von einer Batterie zu einem Elektromotor eines Elektrofahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus dem "Electronic Circuits Manual", 1971, S. 594, (Mc Graw- Hill) ist bereits eine Überspannungs- und Überstromschutz­ schaltung bekannt, die jedoch ausschließlich zur Verwendung bei Lasten an Wechselspannungsquellen ausgelegt ist.
Darüberhinaus ist eine Steuereinheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 aus der DE 33 18 909 C2 bekannt.
Bei einer derartigen Steuereinheit ist die Batterie als Gleichstromauelle für einen fremderregten Gleichstrommotor jedoch nicht lösbar vorgesehen.
Folglich besteht ein Problem derart, daß im Fall einer trennbaren Batterie eine komplexe bzw. komplizierte Steckervorrichtung zur Verhinderung des Anschlusses eines Ladegerätes an die Steuereinheit erforderlich wird.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Steuereinheit zur Steuerung der Leistungszufuhr von einer Batterie zu einem Elektromotor eines Elektrofahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß bei einfach aufgebauter Steckverbindung zur Batterie eine Beschädigung der Steuereinheit verhindert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Steuereinheit hat somit den Vorteil der Verwendbarkeit baugleicher Stecker.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Steckers und einer Kupplung, die im ersten Ausführungsbeispiel verwendet werden,
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung des ersten Ausführungsbeispiels,
Fig. 4 einen Blockschaltplan eines zweiten Ausführungs­ beispiels der Erfindung, und
Fig. 5 ein Ablaufdiadiagramm zur Erläuterung des zweiten Ausführungsbeispiels.
Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der Er­ findung. Der Minus-Pol einer Batterie 25 ist mit Masse GND verbunden und der Plus-Pol ist mit einem Kontakt eines Steckers 26 verbunden. Ein Kontakt einer Kupplung 27 zur Aufnahme des Steckers 26 ist mit einem Anschluß eines Lei­ stungsmotors 28 (zum Fahren) und der andere Kontakt der Kupplung 27 ist mit Masse GND verbunden. Der andere An­ schluß des Motors 28 ist über einen Kontaktgeber bzw. Schütz 29 mit dem Kollektor eines Transistors 30 verbunden, und der Emitter des Transistors 30 ist geerdet.
Der Plus-Pol der Batterie 25 ist mit einem Kontakt der Kupplung 27 verbunden; dieser Kontakt ist über eine Reihen­ schaltung einer Diode 31, eines Widerstands 32, eines Wi­ derstands 33 und eines Widerstands 34 mit Masse verbunden. Die Verbindung zwischen dem Widerstand 32 und dem Wider­ stand 33 ist über eine Diode 35 und einen Widerstand 36 mit dem Kollektor des Transistors 30 verbunden. Die Verbindung zwischen den Widerständen 33 und 34 ist mit dem Plus-Ein­ gangsanschluß eines Komparators 37 und mit dem Minus-Ein­ gangsanschluß eines Komparators 38 verbunden. Eine Refe­ renzspannung Vref1 zum Erfassen einer Überspannung ist an den Minus-Eingangsanschluß des Komparators 37, und eine Re­ ferenzspannung Vref2 zum Erfassen eines Kurzschlusses des Transistors 30 ist an den Plus-Eingangsanschluß des Kompa­ rators 38 angelegt.
Jeweilige Ausgangssignaie der Komparatoren 37 und 38 werden an Eingangsanschlüsse I1 und I2 einer Mikroprozessor-Ein­ heit (MPU) 39 mit einer Zentraleinheit (CPU), einem Schreib-Lese-Speicher (RAM), einem Festspeicher (ROM), par­ allelen Eingangs- und Ausgangsanschlüssen, einem Zeitgeber und einem Taktgenerator angelegt. Ein Ausgangsanschluß P1 der Mikroprozessor-Einheit 39 ist mit einer Ansteuervor­ richtung 40 des Schützes 29 verbunden. Ein anderer Aus­ gangsanschluß P2 der Mikroprozessor-Einheit 39 ist über einen Inverter 41 mit der Kathode einer Leuchtdiode (LED) in einem Optokoppler 42 verbunden. Der Emitter eines Tran­ sistors im Optokoppler 42 ist über einen Widerstand 43 mit der Basis des Transistors 30 verbunden. Die Anode der Leuchtdiode im Optokoppler 42 und der Kollektor des Transi­ stors im Optokoppler 42 sind an eine Stromversorgung (+5 V) angeschlossen. Der Inverter 41 und der Optokoppler 42 wer­ den zur Steuerung des Basisstroms im Transistor 30 verwen­ det, so daß der Antrieb des Motors 28 gesteuert wird. Die Basis des Transistors 30 ist über einen Widerstand 44 geer­ det.
Ein an X-Eingangsanschlüsse der Mikroprozessor-Einheit 39 angeschlossener Kristall-Oszillator ist mit einem internen Taktgenerator verbunden. Das durch die Zentraleinheit in der Mikroprozessor-Einheit auszuführende Programm ist im internen Festspeicher abgelegt. Der gleiche Aufbau wie hier mit dem Transistor 30, dem Schütz 29, der Schützansteuerung 40 und dem Komparator 38 kann auch für einen nicht gezeig­ ten Hebemotor vorgesehen sein.
In Fig. 1 ist nur ein Transistor für die Steuerung des Lei­ stungsmotors und des Hebemotors gezeigt. Es kann jedoch eine Vielzahl von Transistoren verwendet werden, wenn es notwendig ist. Die Vorrichtung kann auch über eine aus­ schließliche Steuerschaltung oder eine ausschließliche Steuerschaltung in Form einer integrierten Schaltung an die Mikroprozessor-Einheit 39 angeschlossen werden.
Wenn fälschlicherweise der Stecker des Ladegeräts und die Kupplung bzw. Steckdose der Steuervorrichtung verbunden werden und infolge dessen eine Überspannung an die Steuereinheit angelegt wird, wird die zu ver­ gleichende Eingangsspannung des Komparators 37, d. h. der Spannungsabfall am Widerstand 34 höher als die Referenz­ spannung Vref1. Folglich wechselt der Zustand des Ausgangs­ signals des Komparators 37 vom "L"-Pegel auf den "H"-Pegel, und am Eingangsanschluß I1 liegt dann ein Signal mit dem "H"-Pegel an. Wenn der Transistor 30 kurzgeschlossen ist, wird die zu vergleichende Eingangsspannung des Komparators 38, d. h. der Spannungsabfall am Widerstand 34 niedriger als die Referenzspannung Vref2. Der Zustand des Ausgangssignals des Komparators 38 wechselt vom "L"-Pegel auf den "H"-Pegel und bewirkt, daß dann ein Signal mit dem "H"-Pegel am Ein­ gangsanschluß I2 anliegt.
Fig. 2 zeigt den Stecker 26 und die Kupplung 27, die die gleiche Bauart aufweisen.
Das in Fig. 3 gezeigte Ablaufdiagramm ist beispielsweise als Zeitgeber-Interrupt-Programm im Festspeicher der Mikroprozessor-Einheit 39 gespeichert. Dieses Programm kann beispielsweise alle 100 ms ausgeführt werden.
Wenn eine Programmunterbrechung bzw. ein Interrupt auftritt, wird beispielsweise in Entscheidungsschritt J1 entschieden, ob der Signalpegel am Eingangsanschluß I1 der "H"-Pegel oder der "L"-Pegel ist und ob eine Überspannung an die Steuereinheit angelegt ist oder nicht. Wenn der Signalpegel am Eingangsan­ schluß I1 zum "H"-Pegel wird, erfolgt eine Verzweigung zu Schritt S1 und der Zustand des Ausgangs-Anschlusses P1 wechselt vom "H"-Pegel auf den "L"-Pegel. Daraufhin wird der Schütz 29 geöffnet und die Stromzufuhr zum Motor 28 un­ terbrochen, wodurch die Drehbewegung des Motors gestoppt wird. Damit ist die Programmunterbrechung beendet, und es erfolgt ein Rücksprung ins Hauptprogramm. Wenn beim Ent­ scheidungsschritt J1 der Signalpegel am Eingangsanschluß I1 der "L"-Pegel ist, schreitet das Programm zu Entscheidungs­ schritt J2 und überprüft, ob der Signalpegel am Eingangsan­ schluß I2 der "H"-Pegel oder der "L"-Pegel ist, wodurch be­ urteilt wird, ob sich der Transistor im Kurzschluß-Zustand befindet oder nicht. Wenn der Signalpegel am Eingangsan­ schluß I2 der "H"-Pegel ist, erfolgt eine Verzweigung zu Schritt S2 und der Zustand des Ausgangsanschlusses P1 wech­ selt vom "H"-Pegel auf den "L"-Pegel. Daraufhin wird der Schütz 29 geöffnet und die Stromversorgung zum Motor 28 un­ terbrochen, wodurch die Drehbewegung des Motors gestoppt wird. Danach wird die Programmunterbrechung beendet, und es erfolgt ein Rücksprung ins Hauptprogramm. Wenn beim Ent­ scheidungsschritt J2 der Signalpegel des Eingangsanschlus­ ses I2 der "L"-Pegel ist und entschieden wird, daß ein nor­ maler Zustand vorliegt, wird der Betriebszustand beibehal­ ten. Die Programmunterbrechung wird beendet, und es erfolgt ein Rücksprung ins Hauptprogramm. Wenn der gleiche Aufbau wie beim Leistungsmotor auch beim Hebemotor verwendet wird, sind ein weiterer Komparator, ein weiterer Eingangsan­ schluß, eine weitere Schützansteuerung und ein weiterer Ausgangsanschluß vorzusehen, die jeweils dem Komparator 38, dem Eingangsanschluß I2, der Schützansteuerung 40 und dem Ausgangsanschluß P1 entsprechen. Nach dem Entscheidungs­ schritt J2 wird dann eine weitere, ähnliche Entscheidungs­ routine ausgeführt, die sich auf den Hebemotor auswirkt.
Fig. 4 zeigt einen Schaltplan eines weiteren Ausführungs­ beispiels. Der Minus-Pol einer Batterie 51 ist mit Masse GND verbunden und der Plus-Pol ist über einen Kontakt 52a eines Steckers, einen Kontakt 52b einer Kupplung und einen Schütz 53 mit einem Anschluß eines Leistungsmotors 54 ver­ bunden. Der andere Anschluß des Leistungsmotors 54 ist mit dem Kollektor eines Transistors 55 verbunden. Der Lei­ stungsmotor 54 in Fig. 4 ist ein Reihenschlußmotor. Es ist eine Spule für die Verbindung des ande­ ren Anschlusses des Leistungsmotors 54 mit dem Kollektor des Transistors 55 gezeigt, die einen Magnetfeld-Wicklungs­ draht darstellt.
Der Emitter des Transistors 55 istgeerdet; zwischen dem Kollektor und Masse befindet sich ein Überspannungsableiter 56.
Eine Diode 57, ein Widerstand 58, ein Widerstand 59 und ein Widerstand 60 sind zwischen dem Kontakt 52b der Kupplung und Masse in Reihe geschaltet. Die Verbindung zwischen den Widerständen 58 und 59 ist über eine Diode 61 und einen Wi­ derstand 62 mit dem Kollektor des Transistors 55 verbunden. Die Steuervorrichtung weist eine Mikroprozessor-Einheit 63 auf, die eine Zentraleinheit (CPU), einen Schreib-Lese- Speicher (RAM), parallele Eingangs- und Ausgangsanschlüsse, einen Zeitgeber und einen Taktgenerator enthält; das durch die Zentraleinheit in der Mikroprozessor-Einheit 63 ausge­ führte Programm ist in einem EPROM 64 gespeichert. Die Ver­ bindung zwischen den Widerständen 59 und 60 ist mit dem Analog-Eingangsanschluß einer Analog-Digital-Umsetzungs­ schaltung 65 verbunden. Die Analog-Digital-Umsetzungsschal­ tung und das EPROM 64 sind über einen Datenbus, einen Adreßbus und einen Steuerbus mit der Mikroprozessor-Einheit 63 verbunden. Ein Bit des Ausgangsanschlusses der Mikropro­ zessor-Einheit 63 ist mit einer Schützansteuerung 66 und Ausgangsanschlüsse X1 und X2 der Schützansteuerung 66 sind mit Anschlüssen X1 und X2 der Ansteuerspule des Schützes 53 verbunden. Ob­ wohl in der Fig. nicht gezeigt, ist die Basis des Transi­ stors 55 über einen Treiber oder eine ausschließliche An­ steuervorrichtung mit der Mikroprozessor-Einheit 63 verbun­ den. Die Ansteuerung eines Hebemotors ist die gleiche wie die des Leistungsmotors 54 und wurde deshalb in der Fig. weggelassen.
Während des Betriebs des Gabelstaplers kann eine Kurz­ schluß-Störung des Transistors 55 auftreten und eine Erhö­ hung des durch die Diode 61 und den Widerstand 62 fließen­ den Stroms bewirken. Der durch die Widerstände 59 und 60 fließende Strom nimmt dementsprechend ab. Wenn der Wider­ stand 62 einen viel geringeren Widerstandswert als die Wi­ derstände 59 und 60 hat, fließt der größte Teil des durch den Widerstand 58 fließenden Stroms durch die Diode 61 und den Widerstand 62. Daraufhin verringert sich die Spannung Va, d. h. der Spannungsabfall am Widerstand 60 auf fast null oder nur einige wenige Volt. Die an den Analog-Eingangsan­ schluß der Analog-Digital-Umsetzungsschaltung 65 angelegte Spannung wird durch die Analog-Digital-Umsetzungsschaltung in einen digitalen Wert umgewandelt, der von der Zen­ traleinheit der Mikroprozessor-Einheit 63 gelesen wird. Die Zentraleinheit der Mikroprozessor-Einheit 63 führt ein im EPROM 64 gespeichertes Programm aus und entscheidet, ob die Spannung Va abnormal niedrig ist oder nicht. Die Beurtei­ lung erfolgt durch Lesen des digitalen Umsetzungswertes der Analog-Digital-Umsetzungsschaltung 65 und Vergleichen die­ ses Wertes mit einer im EPROM 64 gespeicherten vorbestimm­ ten Spannung. Wenn die Spannung Va abnormal niedrig ist, wechselt der Zustand des am Ausgangsanschluß der Mikropro­ zessor-Einheit 63 an die Schützansteuerung 66 ausgegebenen Signals (z. B. vom "H"-Pegel auf den "L"-Pegel) und der Schütz wird geöffnet, wodurch die Stromzufuhr zum Lei­ stungsmotor und/oder zum Hebemotor unterbrochen und damit die Fahrt und/oder der Hebebetrieb des Gabelstaplers ge­ stoppt wird. Wenn die Spannung Va innerhalb eines erlaubten Bereichs des vorbestimmten Spannungswerts liegt, arbeitet das Gerät normal.
Das im Ablaufdiagramm in Fig. 5 gezeigte Programm ist im EPROM 64 gespeichert und wird in der gleichen Weise wie das vorstehend erwähnte Programm bei einem Zeitgeber- Interrupt ausgeführt.
Wenn eine Programmunterbrechung bzw. ein Interrupt auftritt, wird bei Schritt ST1 der der Spannung Va entsprechende digitale Umsetzungs­ wert der Analog-Digital-Umsetzungsschaltung 65 gelesen und mit einem oberen Grenzwert des vorher aus dem EPROM 64 er­ haltenen Spannungswertes verglichen. Wenn der Umsetzungs­ wert größer als der obere Grenzwert des Spannungswerts ist, wird entschieden, daß infolge einer falschen Verbindung zwischen dem Stecker des Ladegeräts und der Kupplung der in Fig. 4 gezeigten Steuereinheit eine Überspannung an der Steuereinheit anliegt. In diesem Fall erfolgt eine Ver­ zweigung zu Schritt ST2 und der Zustand des am Ausgangsan­ schluß der Mikroprozessor-Einheit 63 an die Schützansteue­ rung 66 ausgegebenen Signals wechselt vom "H"-Pegel auf den "L"-Pegel und der Schütz 53 wird geöffnet, wodurch die Stromversorgung zum Leistungsmotor 54 unterbrochen wird. Die Drehbewegung des Leistungsmotors 54 wird dadurch ge­ stoppt. Nachdem die Ausführung von Schritt ST2 abgeschlos­ sen ist, ist die Programmunterbrechung beendet und es er­ folgt ein Rücksprung ins Hauptprogramm.
Wenn bei Schritt ST1 die Spannung Va den oberen Grenzwert des Spannungswertes nicht übersteigt, schreitet das Pro­ gramm zu Schritt ST3. Dort wird überprüft, ob der digitale Umsetzungswert niedriger als der zwischen null und einigen wenigen Volt liegende untere Grenzwert des Spannungswertes ist und es wird entschieden, ob der Transistor 55 kurzge­ schlossen ist oder nicht. Wenn der digitale Umsetzungswert niedriger als der untere Grenzwert des Spannungswertes ist, schreitet das Programm zu Schritt ST4 und der Zustand des Ausgangsanschlusses wechselt vom "H"-Pegel auf den "L"-Pe­ gel, wodurch der Schütz 53 geöffnet und die Stromzufuhr zum Leistungsmotor 54 unterbrochen wird. Die Drehbewegung des Leistungsmotors 54 wird dadurch gestoppt. Nachdem die Aus­ führung von Schritt ST3 abgeschlossen ist, ist die Program­ munterbrechung beendet, und es erfolgt ein Rücksprung ins Hauptprogramm.
Wenn bei Schritt ST3 die Spannung Va normal ist, d. h. über dem unteren Grenzwert des Spannungswertes liegt, wird ent­ schieden, daß der Zustand normal ist. Der momentane Betrieb wird aufrechterhalten und die Programmunterbrechung ist beendet und es erfolgt ein Rücksprung ins Hauptprogramm. Der gleiche Aufbau mit dem Transistor 55, dem Schütz 53 und der Schützansteuerung 66 kann parallel für den Hebemotor vorgesehen sein.
Wenn am Transistor eine Kurzschluß-Störung auftritt oder ein falscher Stecker mit der Kupplung verbunden ist und eine Überspannung an die Steuereinheit angelegt wird, kann so­ fort der Motor erfaßt werden, bei dem die Kurzschluß-Stö­ rung oder die Überspannung aufgetreten ist. Das Anlegen der Spannung an den Motor wird dann unterbrochen, wodurch eine Beschädigung der Steuervorrichtung verhindert wird.

Claims (4)

1. Steuereinheit zur Steuerung der Leistungszufuhr von einer Batterie (25; 51) zu einem Elektromotor (28; 54) eines Elektrofahrzeugs, wobei die Steuereinheit
  • - im Betriebs Zustand des Elektrofahrzeugs elektrisch mit der Batterie (25; 51) verbunden ist,
  • - zumindest eine zu dem Elektromotor (28; 54) in Reihe geschaltete Halbleitersteuereinrichtung (30; 55) zur Steuerung der Leistungszufuhr und eine Schalteinrichtung (29; 53) zur Unterbrechung der Leistungszufuhr sowie eine parallel zu dieser Reihenschaltung geschaltete Reihenschal­ tung aus mehreren Widerständen (32-34; 58-60) umfaßt,
  • - mittels einer Vergleichseinrichtung (37, 38; 63, 65) einen an einem (34; 60) der Widerstände (32-34; 58-60) auftretenden Spannungsabfall mit einer ersten Bezugsspan­ nung (Vref2) vergleicht,
  • - bei einem Unterschreiten der ersten Bezugsspannung (Vref2) auf einen Kurzschluß der Halbleitersteuereinrich­ tung (30; 55) schließt, und
  • - in diesem Fall die Schalteinrichtung (29; 53) zur Unterbrechung der Leistungszufuhr ansteuert,
dadurch gekennzeichnet, daß
  • - die elektrische Verbindung mit der Batterie (25; 51) über eine lösbare Steckverbindung (26, 27; 52a, 52b) herbeige­ führt wird,
  • - über die lösbare Steckverbindung (26, 27; 52a, 52b) im Ladezustand des Elektrofahrzeugs ein Batterieladegerät elektrisch mit der Batterie (25; 51) zu verbinden ist,
  • - das Batterieladegerät eine höhere Spannung als die Batterie (25; 51) bereitstellt, und
  • - die Steuereinheit
  • - mittels der Vergleichseinrichtung (37, 38; 63, 65) den an dem einen (34; 60) der Widerstände (32-34; 58-60) auftretenden Spannungsabfall mit einer zweiten Bezugsspan­ nung (Vref1) vergleicht,
  • - bei einem Überschreiten der zweiten Bezugsspannung (Vref1) auf eine durch Herstellung der Steckverbindung (26, 27; 52a, 52b) des Batterieladegeräts nicht mit der Batterie (25; 51) sondern mit der Steuereinheit verursachte Über­ spannung schließt und
  • - auch in diesem Fall die Schalteinrichtung (29; 53) zur Unterbrechung der Leistungszufuhr ansteuert.
2. Steuereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung zwei einen Fenstervergleicher bildende Komparatoren (37, 38) umfaßt.
3. Steuereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung eine Mikroprozessor-Einheit (63) und eine Analog-Digital-Umsetzungsschaltung (65) umfaßt.
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