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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine nicht-isolierte Batterieentladungs-Steuereinrichtung vom Schnellladungstyp
(„boost
type") mit mehrfachen,
parallel angeschlossenen Leistungsstufen Band einer Überstrom-Schutzschaltung
zum Schutz gegen einer. Fehlerstrom, der durch einen Kurzschauss
gegen Masse am Ausgang der Steuereinrichtung hervorgerufen wird,
wobei jede Leistungsstufe eine Eingangssicherung und eine Ausgangssicherung
mit vorbestimmten Stromwerten zum Schützen der jeweiligen Leistungsstufe
gegenüber
einem internen Kurzschluss gegen Masse aufweist.
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Kommunikationssatelliten benötigen elektrische
Leistung bzw. Energie („power"), um zu funktionieren.
Die meisten Kommunikationssatelliten verwenden Siliciumsolarzellen
als primäre
Energiequelle und wieder-aufladbare Batterien für Operationen im Dunkeln. Typischerweise
sind die Batterien entweder vom Typ Nickel-Kadmium (NiCd) oder Nickel-Wasserstoff
(NiH). Falls ein Solararray bzw. eine Solarzelle („solar
array"), eine Batterie
und Lasten bei der gleichen konstanten Spannung betrieben werden
würden,
würde keine
Leistungssteuerung erforderlich sein. Alle Geräte könnten einfach mit dem gleichen
Bus verdrahtet sein, jedoch liefert die Solarzelle keine Energie
während
einer Finsternis, hat direkt nach einer Finsternis eine höhere Spannung
als üblich
und hat eher einen scharfen maximalen Betriebsleistungspunkt. Eine
Batterie erfordert unterschiedliche Spannungen zum Laden und Entladen, weist
eine abfallende Spannung während
einer Entladung auf und erfordert eine Steuerung, um ein Überladen
oder zu tiefes Entladen zu verhindern. Die Lasten an einem Kommunikationssatelliten
könnten als
Funktion der Zeit variieren und eine Vielfalt von Spannungen erfordern,
wobei jede Spannung innerhalb bestimmter Grenzen gehalten wird.
Die Funktion des Energie- bzw. Leistungssystems besteht darin, die
Energie bzw. Leistung an alle Lasten zu liefern, wobei es nach Erfordernis
Leistung aus der Solarzelle und der Batterie zieht.
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Die Batterie ist in drei Modi betriebbar:
Liefern von Energie an einen Bus, Wiederaufladen mit Energie von
der Solarzelle und Instandsetzen („reconditioning") durch Entladen
in eine ohmsche Last. Eine Schnellentladungsarchitektur wird gegenüber einer
Tiefen- bzw. Abwärtsentladungsarchitektur („buck discharge
architecture") bevorzugt,
um eine niedrige Batteriezellenanzahl aufrecht zu erhalten. Eine
niedrige Batteriezellenanzahl repräsentiert im allgemeinen einen
niedrigeren Kostenansatz. Batterieentladungs-Steuereinrichtungen
vom Schnellladungstyp sind in vielen Konfigurationen erhältlich. Eine
solche Konfiguration umfasst mehrfache, parallele Leistungsstufen,
die zwischen der Batterie und dem Leistungsbus gekoppelt sind. Diese
Konfiguration kann von zwei Typen sein, dem isolierten oder nicht-isolierten
Typ. Eine typische isolierte Batterieentladungs-Steuereinrichtung
mit mehrfachen, parallelen Leistungsstufen umfasst einen Transformator und
eine Eingangsund eine Ausgangssicherung in jeder Leistungsstufe.
Die isolierten Leistungsstufen sehen ein steuerbares Stromlimit
vor, das sicher für
die Ausgangssicherung ist unter Verwendung eines zyklusweisen (cycle-by-cycle)
Strombegrenzens in jeder Leistungsstufe. Die Nachteile einer isolierten Leistungsstufe
sind jedoch, dass sie eine komplexere Topologie aufweist, teurer
und schwerer ist und einen inhärenten
Verlust aufgrund einer niedrigeren Umwandlungseffektivität des Transformators
zeigt.
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Eine nicht-isolierte Batterieentladungs-Steuereinrichtung
gemäß dem Stand
der Technik ist in 1 gezeigt.
Um eine Fehlerisolierung von der Batterie 12 und dem geregelten
Leistungsbus 14 im Falle eines Kurzschlusses gegen Masse
einer einzelnen Last 15 zu ermöglichen, umfasst jede Leistungsstufe 16 eine
erste Sicherung 18 beim Batterieeingang und eine zweite
Sicherung 20 beim Busausgang. Im Falle einer Kurzschlussschaltung
(oder eines Fehlers) gegen Masse am Ausgang des Busses 14,
stellen jedoch die erste und zweite Sicherung 18 und 20 jeweils
ein Problem dar, da der Stromfluss, um den Fehler zu klären bzw.
zu bereinigen, von der Batterie 12 durch die Leistungsstufen 16 der
Entladesteuereinrichtung fließen
muss. Der Fehlerstrom könnte
signifikant größer als
der Gesamtstromwert bzw. die Gesamtstrombelastbarkeit der Sicherungen 18 und 20 sein.
Somit könnten
die Sicherungen 18 und 20 einer mechanischen Spannung
ausgesetzt werden und/oder kaputtgehen, bevor der Fehler geklärt ist, was
in einer Beschädigung
der Leistungsstufen 16 und einem Fehlschlag beim Klären des
Fehlers resultiert. Ein Fehler könnte
geklärt
werden, falls eine ausreichende Strommenge durch die Leistungsstufen 16 für eine ausreichende
Zeitdauer fließt,
so dass der Fehler auslöst
(„fault
blows open").
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Somit besteht ein Bedürfnis nach
einer leichtgewichtigen, billigen Überstrom-Schutzschaltung niedriger
Komplexität
für eine
Batterieentladungs-Steuereinrichtung vom Schnellladungstyp mit mehrfachen,
parallelen Leistungsstufen.
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Es ist eine allgemeine Aufgabe der
vorliegenden Erfindung, eine Überstrom-Schutzschaltung für eine Batterieentladungs-Steuereinrichtung
vom Schnellladungstyp mit mehrfachen, nichtisolierten parallelen
Leistungsstufen zu schaffen.
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Beim Ausführen der oben genannten Aufgabe
und anderer Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
umfasst eine Schutzschaltung einer nicht isolierten Batterieentladungs-Steuereinrichtung
vom Schnellladungstyp, wie eingangs erwähnt, einen jeweiligen Widerstand,
der jeweils mit einem Eingang jeder der Ausgangssicherungen jeder der
Leistungsstufen verbunden ist, zum Begrenzen des Stroms durch jede
der Leistungsstufen auf einen vorbestimmten maximalen Strompegel,
der niedriger ist als die vorbestimmten Stromwerte der Eingangssicherungen
und Ausgangssicherungen. Die Schutzschaltung umfasst auch einen
Strom-Nebenschlusspfad zum Bereitstellen eines Strompfades um die Leistungsstufen
herum, wenn der Fehlerstrom die Summe der vorbestimmten maximalen
Strompegel sämtlicher
Leistungsstufen überschreitet.
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Der Nebenschlusspfad ist vorzugsweise
parallel mit den Leistungsstufen verbunden und ist vorzugsweise
ein Diodenpfad.
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Die oben genannte Aufgabe und weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind
aus der folgenden detaillierten Beschreibung der besten Ausführungsform
der Er findung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen leicht verständlich.
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1 ist
ein schematisches Diagramm einer nichtisolierten Batterieentladungs-Steuereinrichtung vom
Schnellla- dungstyp mit mehrfachen, parallelen Leistungsstufen.
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2 ist
ein schematisches Diagramm einer Überstrom-Schutzschaltung für eine nicht-isolierte Batterieentladungs-Steuereinrichtung
vom Schnellladungstyp mit mehrfachen, parallelen Leistungsstufen gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Bezug nehmend auf 2 wird eine Überstrom-Schutzschaltung, die
allgemein mit der Bezugsziffer 30 bezeichnet wird, für eine nicht-isolierte Batterieentladungs-Steuereinrichtung
vom Schnellentladungstyp mit mehrfachen, parallelen Leistungsstufen
gezeigt. Die in der 2 gezeigte
Batterieentladungs-Steuereinrichtung ist von dem Typ, der im US-Patent
Nr. 5 122 728 offenbart ist, das an Ashley erteilt ist und den Titel „Coupled
Inductor Type DC to DC Converter with Single Magnetic Component" trägt. Die
Schaltung 30 der vorliegenden Erfindung ist nicht auf die
in der 2 gezeigte Steuereinrichtung vom
Schnellentladungstyp beschränkt,
so dass andere Konfigurationen vom Schnellladungstyp verwendet werden
könnten.
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Die Schaltung 30 der vorliegenden
Erfindung umfasst eine Batterie 12', eine Vielzahl von Leistungsstufen 16' und einen geregelten
Leistungsbus 14'.
Die Batterie 12' ist
vorzugsweise eine Vielzellenbatterie, die eine Gleichstrom- bzw.
DC-Eingangsspannung
in einem Bereich von 30–60
VDC liefert. Des weiteren weist die Batterie 12' vorzugsweise
einen ersten und einen zweiten Anschluss auf. Der erste Anschluss
ist an jede der Leistungsstufen 16a'–16N' gekoppelt. Der zweite Anschluss
liefert das Massepotential.
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Jede der Leistungsstufen 16a'–16N' umfasst eine
erste Sicherung 18',
die parallel an dem ersten Anschluss der Batterie 12' gekoppelt sind,
und eine zweite Sicherung 20',
die mit dem geregelten Leistungsbus 14' gekoppelt sind. Die erste und
die zweite Sicherung 18' und 20' sehen jeweils
eine Fehlerisolierung von der Batterie 12' und dem geregelten Leistungsbus 14' vor, wenn eine
Leistungsstufe 16a'–16N' einen internen
Kurzschluss gegen Masse erfährt.
Jede der Leistungsstufen 16a'–16N' umfasst auch
einen Leistungsschalter 22 zum Umwandeln der DC-Eingangsspannung
in eine Art AC-Rechteckwelle. Der Leistungsschalter 22 ist
vorzugsweise eine Leistungs-MOSFET-Vorrichtung.
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Ein gekoppelter Induktor, der allgemein
mit 24 bezeichnet ist, weist Wicklungen 241 und 242 auf. Eine Seite der Wicklung 241 ist mit dem geregelten Leistungsbus 14' über einen
widerstand 26 und die zweite Sicherung 20' verbunden,
während
die andere Seite mit der Batterie 12' über die erste Sicherung 18' und eine Diode 28 verbunden
ist. Eine Seite der Wicklung 242 ist
mit der Masse verbunden, während die
andere Seite über
den Leistungsschalter 22 mit der Batterie 12' verbunden ist.
Eine zusätzliche
Wicklung (nicht dargestellt) könnte
verwendet werden, um einen Eingangswelligkeitsstrom (input ripple
current) zu löschen,
und wäre
in Reihe mit einem Induktor (nicht dargestellt) und einem DC-Sperrkondensator (nicht
dargestellt) zwischen der Batterie 12' und der Masse verbunden. Eine
pegelverschiebende Wicklung (nicht gezeigt) könnte verwendet werden, um den
schwimmenden Leistungsschalter 22 von einem auf Masse bezo genen
Impulsbreitenmodulator (PMW, pulse width modulator) 42 zu
steuern.
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Ein Energietransferkondensator 30 ist
zwischen einem Knoten 32 und einem Knoten 34 verbunden.
Ein Ausgangskondensator 36 ist zwischen einem Knoten 38 und
einem Knoten 40 verbunden.
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Die Batterieentladungs-Steuereinrichtung vom
Schnellladungstyp mit gekoppelter Induktionsspule der vorliegenden
Erfindung verwendet eine Impulsbreiten-Modulation mit fester Frequenz,
um eine Ausgangsspannung bei einem konstanten Wert über einen
relativ breiten Eingangsspannungsbereich und Ausgangsstrombereich
zu regeln. Der Impulsbreitenmodulator 42 umfasst einen
ersten Anschluss, der mit dem geregelten Leistungsbus 14' gekoppelt ist, und
einen zweiten Anschluss, der mit einer Basis des Leistungsschalters 22 gekoppelt
ist, und steuert den Arbeitszyklus des Leistungsschalters 22 von
0% bis 70%, um die geregelte Busspannung 14 aufrechtzuerhalten.
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Der Überstromschutz für die oben
erläuterte Entladungssteuereinrichtung
vom Schnellladungstyp weist den Widerstand
26, der in Reihe
zur zweiten Sicherung
20' hinzugefügt ist,
und einen Nebenschlussdiodenpfad
44 auf, der parallel an
die mehrfachen, parallelen Leistungsstufen
16a'–
16N' gekoppelt ist.
Der Nebenschlussdiodenpfad
44 besteht aus zwei in Reihe
geschalteten Dioden
46 und
48, die es einem Fehlerstrom
erlauben, von der Batterie zu fließen. Die zwei in Reihe geschalteten
Dioden
46 und
48 werden verwendet, um einen Schutz
vor einem Einzeldioden-Kurzschlusschaltungsfehler vorzusehen, der
in einer permanenten Verbindung der Batterie
12' und des geregelten
Leistungsbusses
14' resultieren
würde.
Der Strom durch die Leis tungsstufen
16a'–
16N' ist somit durch den Serienwiderstand
26 begrenzt,
um so jeweils die erste und die zweite Sicherung
18' und
20' zu schützen. Der
Serienwiderstand
26 begrenzt den Strom durch jede der Leistungsstufen
16a'–
16N' gemäß der folgenden
Gleichung:
wobei I
Stufe (max)
den maximalen Strom durch jede der individuellen Leistungsstufen
16a'–
16N' repräsentiert;
V
Nebenschluss den Spannungsabfall über den Nebenschlussdioden
46 und
48 repräsentiert;
V
R den Spannungsabfall über der Diode
28 jeder
Leistungsstufe
16' repräsentiert;
und R der Wert des Serienwiderstands
26 ist.
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Der Wert der ersten und zweiten Sicherung 18' und 20' ist jeweils
so gewählt,
dass der Fehlerstrom, der durch jede der Leistungsstufen 16' fließt, jeweils
unterhalb des Stromwerts der Sicherung 18' und 20' liegt. Der maximale Fehlerstrom
ist eine Funktion der Spannung und des Widerstands der Batterie 12'. Die Mehrheit
des fehlerklärenden Stroms
fließt
dann durch die Seriennebenschlussdioden 46 und 48,
die für
eine hohe Überstromfähigkeit ausgewählt sind.
Die Nebenschlussdioden 46 und 48 müssen auch
nicht schnellschaltende Dioden sein, was eine Auswahl von Dioden
mit niedrigem Vorwärtsspannungsabfall
ermöglicht.
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Zusammenfassend wird eine Überstrom-Schutzschaltung
30 zum Schützen
einer nicht-isolierten Batterieentladungs-Steuereinrichtung vom
Schnellladungstyp vor einem Fehlerstrom offenbart.
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Die Batterieentladungs-Steuereinrichtung umfasst
mehrfache, parallel gekoppelte Leistungsstufen 16', wobei jede
eine Eingangssicherung 18' und
eine Ausgangssicherung 20' mit
vorbestimmten Stromwerten aufweist. Die Überstrom-Schutzschaltung 30 umfasst
einen Widerstand 26, der in Reihe mit einem Eingang jeder
der Ausgangssicherungen 20' jeder
der Leistungsstufen 16' verbunden
ist, zum Begrenzen des Stroms durch jede der Leistungsstufen auf
einen vorbestimmten Pegel unter die vorbestimmten Stromwerte der
Eingangs- und Ausgangssicherungen 18' und 20'. Die Überstrom-Schutzschaltung 30 umfasst
auch einen Stromnebenschlusspfad 44 zum Bereitstellen eines
Strompfades um die Leistungsstufen 16' herum, wenn der Fehlerstrom die
vorbestimmten Stromwerte der Eingangs- und Ausgangssicherungen 18' und 20' überschreitet.
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Während
die besten Ausführungsformen
der Erfindung detailliert beschrieben wurden, wird ein Fachmann
auf dem Gebiet der Erfindung verschiedene alternative Entwürfe und
Ausführungsformen
zum Ausüben
der Erfindung, wie sie durch die folgenden Ansprüche definiert ist, erkennen.
