DE69420533T2

DE69420533T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Laden von Zweitbatterien

Info

Publication number: DE69420533T2
Application number: DE69420533T
Authority: DE
Inventors: Cary Chmielewski; John Qualich; Kirk Sievers
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1993-12-20
Filing date: 1994-12-15
Publication date: 2000-04-13
Anticipated expiration: 2014-12-16
Also published as: EP0660488A1; DE69420533D1; US5481175A; EP0660488B1

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung ist allgemein gerichtet auf das Feld von Batterieladern. Insbesondere ist sie nützlich zum Laden einer Hilfsbatterie in einem Fahrzeug, das eine Hilfslast aufweist, die durch die Hilfsbatterie betrieben wird.

Hintergrund der Erfindung

Fahrzeugsysteme entwickeln sich dahin, daß sie strengere Emissionsanforderungen erfüllen. Katalysatoren werden oft verwendet, um bei der Erfüllung dieser Anforderungen zu helfen. Wenn er optimal arbeitet, tauscht ein Katalysator Schadstoffe, die Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid und Oxide von Stickstoff umfassen, in dem Abgasstrom gegen Wasser, Kohlendioxid und Stickstoff aus. Der Katalysator ist sehr effizient, wenn er auf hohen Temperaturen ist.
Eine Anforderung mit der viele Systementwickler konfrontiert werden, ist die, wie Emissionen zu reduzieren sind, die durch eine Verbrennungsmotor bei Kaltstartbedingungen erzeugt werden. Wenn das Fahrzeug zuerst nach einer langen inaktiven Periode gestartet wird, ist der Katalysator kalt und nicht effektiv beim Entfernen der überschüssigen Schadstoffe aus dem Abgasstrom.
Um diesem unerwünschten Ergebnis entgegenzuwirken, wenden sich Systementwickler Lösungsansätzen zu, die den Katalysator elektrisch vorheizen, wenn das Fahrzeug zuerst gestartet wird. Da eine große Energiemenge, typischerweise 125 kJ, benötigt wird, um einen typischen Katalysator innerhalb der erwünschten dreißig Sekunden vorzuheizen, wird oft eine Hilfsbatterie, nicht die Hauptbatterie des Fahrzeuges, zum Liefern der benötigten Energie verwendet.
Da Batterien Energie nur zeitweilig speichern, benötigt die Hilfsbatterie, nach einer Entleerung durch die Katalysatorvorheizsequenz, oft ein Laden zum Wiederauffüllen der entleerten Energie. Diese Ladeanforderung präsentiert ein ziemlich schwieriges Problem für ein System, das sie unterstützt. Dieses ist so aufgrund der Ineffizienz, die mit dem Laden der Hilfsbatterie verbunden ist.
Fig. 1 zeigt eine Systemblockdarstellung einer Implementierung eines Steuersystems zum Laden von Hilfsbatterien des Standes der Technik. Bei einer Fahrzeuganwendung besteht ein Ladesystem 101 typischerweise aus einer Wechselstromlichtmaschine, die von einem Kolbenmotor angetrieben wird. Dieses Ladesystem 101 ist mit einer Fahrzeughauptbatterie 103 zum Zwecke des Wiederauffüllens von Ladung, die aus der Fahrzeughauptbatterie 103 während des normalen Dienstes durch eine Hauptlast 105 entladen worden ist, verbunden. Die Hauptlast 105 kann aus einem Anlasser und anderen elektrischen Geräten, die mit modernen Fahrzeugen verbunden sind, bestehen. Ein Hilfsbatterieladeschalter 111 ist zwischen das Ladesystem 101 und eine Hilfsbatterie 107 geschaltet. Ein Hilfslastfreigabeschalter 113 ist zwischen die Hilfsbatterie 107 und eine Hilfslast 109 geschaltet. Die Hilfslast 109 ist in diesem Zusammenhang ein elektrischer Heizer für einen Katalysator. Der Hilfsbatterieladeschalter 111 und der Hilfslastfreigabeschalter 113 werden durch eine Steuervorrichtung 115 betrieben. Im allgemeinen werden die Schalter 111 und 113 exklusiv aktiviert, wenn das Fahrzeug betrieben wird.
Der Betrieb des Systems ist wie folgt. Wenn ein Fahrzeug, das dieses System aufweist, ursprünglich angeschaltet wird, trennt die Steuervorrichtung 115 die Hilfsbatterie 107 von dem Ladesystem 101 durch Öffnen des Hilfsbatterieladeschalters 111 über die Steuerleitung 117. Außerdem schließt die Steuervorrichtung 115 den Hilfslastfreigabeschalter 113 über die Steuerleitung 119. Das Schließen des Hilfslastfreigabeschalters 113 verbindet die Hilfsbatterie 107 mit der Hilfslast 109. Wenn dieses passiert, wird die Hilfslast 109, in diesem Fall ein elektrischer Heizer für einen Katalysator, aktiviert und entlädt dadurch teilweise die Hilfsbatterie 107 über einen Entladestrom 123, während der Heizer Wärme abgibt. Wenn eine Vorheizperiode beendet ist, wird die Steuervorrichtung 115 den Hilfslastfreigabeschalter 113 öffnen, wodurch die Hilfsbatterie 107 von der Hilfslast 109 getrennt wird und der Entladestrom 123 unterbrochen wird.
Zu diesem Zeitpunkt hat das Fahrzeug begonnen zu arbeiten und sein Kolbenmotor treibt das Ladesystem 101 an. Außerdem wird die Hauptbatterie 103 durch das Ladesystem 101 geladen. Die Steuervorrichtung 115 schließt dann den Hilfsbatterieladeschalter 111 über die Steuerleitung 117, wodurch ein Ladestrom 121 zum Laden der Hilfsbatterie 107 erzeugt wird. Wenn der Hilfsbatterieladeschalter 111 anfänglich geschlossen wird, wird die Hilfsbatterie 107 eine niedrigere Anschlußspannung über sich als das Ladesystem 101 aufweisen. Da sowohl die Hilfsbatterie 107 als auch das Ladesystem 101 beide relativ niedrige Anschlußwiderstände aufweisen, ist die Spannung über den Hilfsbatterieladeschalter 111 abhängig von diesen Anschlußspannungen. Falls die Hilfsbatterie 107 im wesentlichen entladen ist, dann kann die Spannung über den Hilfsbatterieladeschalter 111 wesentlich sein. Da der Hilfsbatterieladeschalter 111 einen gewissen endlichen Widerstand aufweist, wird, wenn der Ladestrom 121 aktiv ist, der Hilfsbatterieladeschalter 111 eine relativ hohe Verlustleistung aufweisen. Falls zum Beispiel der Hilfsbatterieladeschalter 111 einen Widerstand von 30 Milliohm aufweist und die Stromstärke des Ladestromes 121 typischerweise ungefähr 50 Ampere ist, wird die durch den Hilfsbatterieladeschalter 111 verlorenen Leistung ungefähr 75 Watt sein. Es ist nicht nur teuer, einen Schalter zum Ableiten von 75 Watt in einer Fahrzeugumgebung bereitzustellen, sondern es ist aufgrund der Umgebung mit einer Betriebstemperatur, die oft 85 Grad Celsius überschreitet, schwierig, eine zuverlässige, langlebige Schaltervorrichtung zu entwerfen, die als der Hilfsbatterieladeschalter 111 arbeitet. Da desweiteren die Verlustleistung des Hilfsbatterieladeschalters 111 abhängig von der Spannung über dem Hilfsbatterieladeschalter 111 variieren wird, muß der Ladestrom 121 durch die maximale Verlustleistung des Hilfsbatterieladeschalters 111 begrenzt werden. Das bedeutet, daß, dem Schutz des Hilfsbatterieladeschalters 111 folgend, nur ein fixierter Ladestrom 121 zum Laden der Hilfsbatterie 107 benutzt wird. Aufgrund dieses fixierten Ladestromes 121 benötigt die Hilfsbatterie 107 zur Ladung eine relativ lange Zeit.
Ein weiterer Defekt in Systemen des Standes der Technik ist der, daß, wenn das Ladesystem 101 stark belastet ist, keine Einrichtung vorhanden ist, um das Hinzufügen der weiteren Belastung, die mit dem Laden der Hilfsbatterie 107 verbunden ist, zu verhindern.
Die WO-A-92/14631 beschreibt ein Fahrzeugbatterieladesystem, das erste und zweite Batterieakkumulatoren und eine unterbrochen arbeitende Last aufweist. Eine Schaltungsanordnung erlaubt es dem zweiten Batterieakkumulator, daß er mit der Last gekoppelt wird.
Die US-A-5049805 beschreibt einen spannungsempfindlichen Schalter, der eine Batterie von einer Last als Reaktion auf eine Spannung verbindet und trennt. Der Schalter wird gebildet durch einen Feldeffekttransistor (FET), der selektiv zwischen die Batterie und die Last, in Abhängigkeit von einem ersten und einem zweiten Referenzspannungspegel, geschaltet wird.
IBM Technical Disclosure Bulletin, Vol. 332964, No. 7, Dez. 1992, Seiten 95-96 beschreibt ein Ladesystem mit einem ersten Konstant-Wattzahl-Modus und einem zweiten Konstant-Strom-Modus.
Die EP-A-0223293 beschreibt eine Stromversorgungsschaltung zum Laden einer Batterie von unterschiedlichen Eingangsspannungen.
Was benötigt wird, ist ein verbessertes Steuersystem zum Laden einer Hilfsbatterie in einem Mehrfach-Batterie-System, das nicht nur effizienter sondern auch zuverlässiger als Schemen des Standes der Technik ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Entsprechend eines ersten Aspektes der Erfindung wird ein System angegeben, wie es in Anspruch 1 beansprucht ist.
Entsprechend eines zweiten Aspektes der Erfindung wird ein Verfahren angegeben, wie es in Anspruch 11 beansprucht ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Systemblockdarstellung, die Details eines Ladessystems des Standes der Technik illustriert;
Fig. 2 zeigt ein verbessertes Steuersystem zum Laden einer Hilfsbatterie in einem Zwei-Batterien-System in Übereinstimmung mit einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 ist ein Graph, der Beziehungen von verschiedenen Systemparametern, die das verbesserte Steuersystem steuert, zeigt; und
Fig. 4 ist ein Graph, der verschiedene Steuersignale und einen resultierenden Ladestrom zum Laden einer Hilfsbatterie in Übereinstimmung mit der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung illustriert.

Detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

Ein System und ein Verfahren zum Laden einer Hilfsbatterie, die eine Hilfslast treibt, enthält einen Regler, der mit einer Hilfsbatterie gekoppelt ist. Der Regler liefert einen Ladestrom, der abhängig von einem Parameter eines Steuersignales variabel ist. Bevorzugterweise ist der Parameter eine Amplitude. Ein Schalter liefert ein Koppeln und ein Entkoppeln zwischen der Hilfsbatterie und der Hilfslast. Eine Steuervorrichtung entkoppelt die Hilfsbatterie von der Hilfslast über den Schalter, und sie liefert dann das Steuersignal an den Regler. Durch das Bewirken dieser Handlung liefert der Regler den variablen Ladestrom an die Hilfsbatterie abhängig von der Amplitude des Steuersignales. Entgegen dem Ansatz des Standes der Technik wird der Ladestrom innerhalb des erlaubten sicheren Betriebsbereiches des Reglers maximiert. Da der Ladestrom nun mit der Verminderung der Spannung über den Regler erhöht werden kann, wird die Hilfsbatterie schneller als bei dem Ansatz des Standes der Technik geladen. Details einer bevorzugten Ausführungsform werden besser unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 verstanden.
Fig. 2 zeigt ein verbessertes System zum Laden einer Hilfsbatterie in einem Zwei-Batterien-System. Fig. 3 ist ein Graph, der die Beziehungen von verschiedenen Systemparametern zeigt. Das Ziel des in Fig. 2 gezeigten Systems ist es, die Leistungsableitung in einer Schaltung, die die Funktion des Hilfsbatterieladeschaltes 111, die in Fig. 1 eingeführt wurde, emuliert, effektiv zu verwalten. Hier bildet ein erster Transistor, oder FET, 111' die Funktion des Hilfsbatterieladeschalters 111 aus Fig. 1. Für diese Diskussion spielen die Elemente 221, 223 und 225 keine signifikante Rolle, und es wird angenommen, daß sie nicht in der Schaltung sind. Später wird ihre Signifikanz in Betracht gezogen.
Wie im Abschnitt über den Hintergrund erwähnt wurde und hier kurz wiederholt wird, die Spannung über den Hilfsbatterieladeschalter 111 aus Fig. 1 ist abhängig von den Anschlußspannungen, die über das Ladesystem 101 und die Hilfsbatterie 107 gemessen werden. Hier entspricht dieses den Anschlußspannungen, die an den Bezugszeichen 227 und 229 vorhanden sind. Wenn der Hilfsbatterieladeschalter 111, hier der FET 111', anfänglich geschlossen, oder aktiviert, wird, ist die Anschlußspannung 227, die mit der Hilfsbatterie 107 verbunden ist, niedriger als die Anschlußspannung 229, die mit dem Ladesystem 101 verbunden ist. Falls die Hilfsbatterie 107 stark entladen ist, dann kann die Spannung über dem FET 111' hoch sein. Da der FET 111' einen gewissen endlichen Widerstand aufweist - hier durch seinen Kanalwiderstand definiert, wenn der Ladestrom 121, hier 121', aktiv ist, wird der FET 111' eine relativ hohe Verlustleistung haben. Die Verlustleistung wird bestimmt durch die Spannung über den FET und dem Kanal widerstand des FET. Da die Hilfsbatterie 107 Ladung aufnimmt, wird die Anschlußspannung 227 über die Hilfsbatterie 107 in Richtung der Anschlußspannung 229 über das Ladesystem 101 steigen. Dieser Vorgang wird die Spannung über den FET 111' reduzieren. Unter Bezugnahme auf Fig. 3, diese abnehmende Spannung ist dargestellt durch die Kurve, die mit 309 bezeichnet ist. Bevorzugterweise wird die Verlustleistung auf einen konstanten Pegel bei der Variation der Spannung über dem FET 111' gebracht. Diese konstante Verlustleistung ist durch die konstante Kurve, die mit 305 in Fig. 3 bezeichnet ist, gezeigt. Ein Vorteil dieses Ansatzes ist der, daß der Ladestrom 121', der durch das Ladesystem 101 zum Laden der Hilfsbatterie 107 geliefert wird, mit der Verminderung der Spannung über den FET 111' erhöht werden kann. Dieser Trend des Ladestroms 121' ist in Fig. 3 unter Verwendung der Kurve 307 dargestellt. Dieser Ansatz des variablen Ladestroms 121' erlaubt ein schnelleres Laden der Hilfsbatterie 107, während der Hilfsbatterieladeschalter 111 geschützt wird vor einer übermäßigen Verlustableitung. Mit den Ansätzen des Standes der Technik wurde der Ladestrom 121' nicht erhöht, wenn es möglich war, und derart luden vorherige Ansätze die Hilfsbatterie 107 nicht effizient.
Bei der Vorrichtung, die in Fig. 2 gezeigt ist, wird der Kanalwiderstand des FET 111' abhängig von der Spannung über den FET 111' gesteuert. Der Kanalwiderstand wird mit der Verminderung der Spannung über den FET 111' reduziert, wodurch es einem höheren Ladestrom 121' ermöglicht wird, zwischen dem Ladesystem 101 und der Hilfsbatterie 107 zu fließen.
Der tatsächliche Ladestrom 121' ist darstellbar unter Verwendung der folgenden deterministischen Beziehung. GLEICHUNG 1
wobei:
Icharge = Ladestrom 121' für Hilfsbatterie 107
Vch = Anschlußspannung 229 gemessen über das Ladesystem 101
Vab = Anschlußspannung 227 gemessen über die Hilfsbatterie 107
Rdson = Kanalwiderstand des Hilfsbatterieladeschalters (FET 111')
In Fig. 2 wird der umgekehrt orientierte FET 223 in der Schaltung 200 verwendet, um einen Batterieumkehrschutz zu liefern und zu verhindern, daß Leckage-Ströme von der Hilfsbatterie 107 zu dem Verstärker 217 geleitet werden, wenn ein Fahrzeug, das diese Schaltung 200 aufweist, abgeschaltet wird. Dieses ist eine übliche Anforderung bei Fahrzeuganwendungen. Insbesondere falls die Hauptbatterie 103 umgekehrt installiert wird, wodurch die Polarität der Batterieanschlüsse umgekehrt wird, wird die Eigenleitungsdiode 225 des umgekehrt orientierten FET 223 einen Strom am Fließen durch die Eigenleiterdiode 219 des FET 111' hindern. Außerdem wird die Eigenleiterdiode 225 des umgekehrt orientierten FET 223 einen Strom am Entleeren der Hilfsbatterie 107 hindern, wenn die Schaltung 200 ausgeschaltet ist.
Der Betrieb des Systems wird als nächstes beschrieben. Bemerke, daß eine Kombination der FET's 111' und 223 in Reihe den Hilfsbatterieladeschalter 111 aus Fig. 1 darstellt. Bemerke außerdem, daß die Steuerleitung 117 aus Fig. 1 hier durch das Bezugszeichen 117' dargestellt wird.
Für die folgende Diskussion ist der Hilfslastfreigabeschalter 113, hier der FET 113', über ein Befehlssignal 211, das durch einen Mikrocontroller 201 auf einer Steuerleitung 119' geliefert wird, abgeschnitten. Darum ist die Hilfslast, hier ein Heizelement eines Katalysators 109, nicht aktiviert und zieht daher keinen Entladestrom 123'. Bemerke, daß der Mikrocontroller, der hier verwendet wird, ein Motorola MC68HC05B5 ist. Natürlich können andere äquivalente Mikrocontroller oder eine Vorrichtung als Ersatz für diesen Mikrocontroller 201 verwendet werden.
Im wesentlichen wird, wenn es gefordert wird, der Strom, der durch die FETs 111' und 223 zum Laden der Hilfsbatterie 107 geliefert wird, über die Beziehung, die in Fig. 3 illustriert und durch die GLEICHUNG 1 beschrieben wird, gesteuert. Die Leitung - demgemäß Rdson der FET's 111' und 223 wird durch Steuern einer Spannung zwischen dem Gate und dem Sourceanschluß des FET variiert. Dieses kann verwirklicht werden durch Anlegen einer Spannung mit variabler Amplitude zwischen dem Gate und dem Sourceanschluß des FET. In diesem Fall wird der Ladestrom 121' variabel abhängig von der Amplitude eines Steuersignals sein. Alternativ kann ein anderer Parameter des Steuersignals entsprechend der Eigenschaften der FETs 111' und 223 verwendet werden. Insbesondere ein Steuersignal 203 mit variabler Frequenz wird verwendet zum Steuern der Spannung zwischen dem Gate und dem Sourceanschluß des FET - demgemäß der Leitung - demgemäß von Rdson der beiden FETs 111' und 223 - demgemäß des Ladestroms 121'.
Der Mikrocontroller 201 steuert den Leitungsbetrag der FETs 111' und 223, die ein Verlustleistungsdurchlaßelement des Stromregulators bilden, indem entweder Ladung in das Gate der FETs 111' und 223 durch Pulsen einer Ladungspumpenschaltung 205 über das Signal 203 hinzugefügt wird, oder indem Ladung aus dem Gate der FETs 111' und 223 unter Verwendung einer Ladungssenkenschaltung, die aus einem Widerstand 215 und einem FET 213, der über ein Steuersignal 209 gepulst wird, besteht, abgezogen wird.
Geeigneterweise weisen die FETs 111' und 223 eine Eigen-Gate- zu-Sourceanschluß-Kapazität auf. Aufgrund dessen können die Gates dieser FETs 111' und 223 durch ein Übergangsstrompuls geladen werden, und die Eigen-Gate-zu-Sourceanschluß-Kapazität wird die Ladung halten, bis sie über einen Leckageweg oder durch andere Mittel entladen wird. Um den kombinierten Kanalwiderstand, oder Rdson, der beiden FETs 111' und 223 zu minimieren, werden die FETs auf eine relativ hohe Gate-zu- Sourceanschlußspannung geladen. Die Ladungspumpenschaltung 205 hebt die Spannung der Pulse des Steuersignales 203, die durch den Mikrocontroller 201 geliefert werden, an und liefert diese Pulse auf der Steuerleitung 117' an die Gates der FETs 111' und 223.
Gleichzeitig mit dem Liefern der Pulse über das Steuersignal 203 überwacht der Mikrocontroller 201 ein proportionales Stromsignal 207, das durch einen Verstärker 217 geliefert wird. Dieses proportionale Stromsignal 207 ist proportional zu dem Ladestrom 121', der durch einen Stromerfassungswiderstand 221 läuft. Der Mikrocontroller 201 wird außerdem die Spannung über die FETs 111' und 223 durch Messen der Anschlußspannungen 227 und 229 über die Anschlüsse 231 bzw. 233 erfassen. Verfahrensschritte, in der Form einer Software, die intern in dem Mikrocontroller 201 ausgeführt wird, sichern die Leistungsregulierungskurve, die durch das Bezugszeichen 305 in Fig. 3 gezeigt ist.
Fig. 4 ist ein Graph, der verschiedene Steuersignale und einen resultierenden Ladestrom zum Laden der Hilfsbatterie 107 illustriert. Eine Signalwellenform 407 stellt das Steuersignal 203 dar, das zum Hinzufügen von Ladung zu den FETs 111' und 223 verwendet wird. Eine andere Signalwellenform 409 stellt das Steuersignal 209 dar, das zum Entleeren von Ladung aus den FETs 111' und 223 verwendet wird. Eine Signalwellenform, die auf der Referenzlinie 405 gezeigt ist, die abhängig von den Signalwellenformen 407 und 409 ist, stellt die Spannung dar, die auf der Steuerleitung 117' an die Gates der FETs 111' und 223 geliefert wird. Die zuvor erwähnte Eigen-Gate-zu-Source- Kapazität der Gates der FETs 111' und 223 verursacht das integrale Verhalten der Signalwellenform, die auf den Bezugslinien 405 und 410 gezeigt ist. Außerdem zeigt eine Signalwellenform, die auf der Referenzlinie 410 illustriert ist, den Ladestrom 121, der von der Spannung abhängt, die auf der Steuerleitung 117' an die Gates der FETs 111' und 223 geliefert wird. Der Mikrocontroller 201 wird den Ladestrom 121' auf den Pegel regeln, der hier gezeigt ist, abhängig von der Anschlußspannung über die FETs 111' und 223.
Beim Bezugszeichen 450 beginnt der Ladestrom 121' auf einem gewissen Pegel. Falls der Hilfsbatterieladeschalter 111 (hier die FETs 111' und 223) geschlossen ist, wird der Mikrocontroller den Unterschied zwischen den Anschlußspannungen 227 und 229 über die Eingänge 231 bzw. 233 fortlaufend überwachen. Falls entsprechend eines internen Modells der FETs 111' und 223, wobei dieses Modell auf den Kurven in Fig. 3 basiert, der Ladestrom 121' erhöht werden kann, da die Spannungsdifferenz zwischen den Anschlußspannungen 227 und 229 ausreichend niedrig genug ist, um das Leiten eines zusätzlichen Stromes zu erlauben, während eine konstante Leistung gemäß Kurve 305 beibehalten wird, wird dann der Mikrocontroller 201 einen Puls auf der Leitung ausgeben, die mit dem Steuersignal 203 verbunden ist. Dieses Steuersignal aktiviert wiederum die Ladungspumpenschaltung 205, die wiederum die Gates der FETs 111' und 223 lädt. Dieses wird die Größe der Gateladung, hier gezeigt als eine Spannung, die von der tatsächlichen Ladung abhängt, die auf der Steuerleitung 117' gezeigt wird, auf den Pegel, der durch das Bezugszeichen 413 angezeigt ist, anheben. Dieser Anstieg in der Gateladung wird die Leitung der FETs 111' und 223 erhöhen, demgemäß Rdson der beiden FETs 111' und 223 vermindern, wodurch der Ladestrom 121 auf einen Pegel erhöht wird, der durch das Bezugszeichen 451 angezeigt ist.
Wie zuvor erwähnt wurde, der Mikrocontroller 201 überwacht kontinuierlich das proportionale Stromsignal 207, das durch einen Verstärker 217 geliefert wird. Dieses proportionale Stromsignal 207 ist proportional zu dem Ladestrom 121', der durch den Stromerfassungswiderstand 221 läuft. Da die Eigen- Gate-Kapazität der FETs 111' und 223 eine gewisse Leckage aufweist, wird die Gateladung mit dem Ablaufen der Ladung auf der Gatekapazität über diese Leckage abfallen. Da die Leitung der FETs 111' und 223 von dieser Ladung auf dem Gate abhängig ist, werden die FETs 111' und 223 mit dem Abfließen der Ladung weniger leiten und derart ein höheres Rdson aufweisen. Aufgrund dessen wird der Ladestrom 121', der hier in der mit der Referenzlinie 410 verbundenen Signalwellenform gezeigt ist, abnehmen. Als ein Ergebnis wird das proportionale Stromsignal 207 abnehmen.
Da der Mikrocontroller 201 versucht, den Ladestrom 121' auf einem konstant geregelten Pegel zu halten, wird der Mikrocontroller 201 einen anderen Puls 415 auf der mit dem Steuersignal 203 verbundenen Leitung ausgeben. Dieses wird erneut die Größe der Gateladung auf der Steuerleitung 117' auf den Pegel, der durch das Bezugszeichen 417 angezeigt ist, erhöhen. Außerdem wird diese Handlung erneut die Größe der Gateladung, die auf der Steuerleitung 117' gezeigt ist, auf den durch das Bezugszeichen 417 angezeigten Pegel erhöhen. Außerdem wird, da die FETs 111' und 223 nunmehr leiten, der Ladestrom 121' erneut ansteigen, wie es durch das Bezugszeichen 453 angezeigt ist.
Dieser Prozeß wiederholt sich selbst bei den Bezugszeichen 419, 421, und 455.
Mit dem Fortschreiten dieses Prozesses und da die Hilfsbatterie mehr und mehr geladen wird, nähert sich die Anschlußspannung 227 über die Hilfsbatterie der Anschlußspannung 229 über das Ladesystem näher an. Wie zuvor bemerkt wurde, die Verlustleistung der FETs 111' und 223 hängt von diesen Spannungen ab. Wie zuvor erwähnt wurde, erlaubt dieses, daß der Ladestrom 121' erhöht wird, während eine konstante Verlustleistung 305 durch die FETs 111' und 223 beibehalten wird.
Drei zusätzliche Pulse 423, 427 und 431 und die resultierenden Signalwellenformstörungen 425, 429, 433 und 457, 459, 461 illustrieren die höhere Gateladung und den höheren Durchschnittsladestrom 121'.
Die obige Abfolge wird fortgesetzt, wann immer es wünschenswert ist, den Ladestrom 121' zu erhöhen. Die Rate, oder die Frequenz, der Pulse, die in dem Steuersignal 203 geliefert werden, bestimmt das Laden der Gates der FETs 111' und 223, demgemäß das Ladestromes 121'.
Der Ladestrom 121' kann durch Vermindern der Frequenz der Steuersignalpulse erniedrigt werden, wie es durch die Bezugszeichen 435, 437 und 463 gezeigt ist. Alternativ kann der Ladestrom wesentlich schneller durch Entleeren von Ladung aus den Gates der FETs 111' und 223 über einen Widerstand 215 durch Pulsen eines FET 213 über das Steuersignal 209 erniedrigt werden.
Beim Bezugszeichen 439 wird ein Puls von dem Mikrocontroller 201 über das Steuersignal 209 ausgegeben. Dieses bringt den FET 213 zum Leiten für die Dauer des Pulses 439. Einiges der Gateladung, die auf der Steuerleitung 117' gezeigt ist, wird durch den FET 213 und den Widerstand 215 während dieser Zeit entladen. Die Spannung, die auf der Steuerleitung 117' gezeigt ist, wird abklingen, wie es bei dem Bezugszeichen 441 gezeigt ist und der Ladestrom 121 wird auf den Pegel bei Bezugszeichen 465 abklingen.
Diese Abfolge wird wiederholt wie es durch die Bezugszeichen 443, 445 bzw. 467 und 447, 449 bzw. 469 gezeigt ist. Jedesmal, wenn diese Abfolge auftritt, wird der Ladestrom 121' erniedrigt.
Ein anderer Aspekt der bevorzugten Ausführungsform ist derjenige des Nicht-Belastens des Ladesystems 101 mit einem signifikanten Ladestrom 121, wenn die Hauptlast 105 das Ladesystem 101 signifikant belastet. Insbesondere wird, sollte das Ladesystem 101 durch die Hauptlast 105 exzessiv belastet sein, wie es durch eine niedrige Anschlußspannung 229 angezeigt ist, der Ladestrom 121' über die Stromreglerkomponenten 111' und 223 wie folgt reduziert. Der Mikrocontroller 201 wird die Ladesystem spannung 229 über das Signal 233 überwachen. Sollte die Anschlußspannung als zu niedrig bestimmt werden, wird der Mikrocontroller 201 den Betrag der Leitung der FETs 111' und 223 reduzieren, indem durch Pulsen des Transistors 213 über das Signal 209 verursacht wird, daß eine niedrigere Spannung an die Steuerleitung 117' geliefert wird. Die Absicht ist es, eine übermäßige Reduzierung der Spannung, die an der Hauptlast 105 verfügbar ist, zu der Zeit des Ladens der Hilfsbatterie 107 durch den Ladestrom 121 zu verhindern.
Obwohl ein spezifisches System oben beschrieben worden ist, können andere Formen der Vorrichtung und/oder Verfahren ohne Abweichen von der wesentlichen Lehre dieser Offenbarung abgeleitet werden, die die äquivalente Funktion ausführen.
Als Schlußfolgerung, dieses System und das zugehörige Verfahren werden die Steuerung des Ladestromes 121' auf eine solche Weise, daß die Verlustleistung der FETs 111' und 223 aktiv begrenzt wird, erlauben. Dieses wird verwirklicht durch Antizipieren der Leistung, die verloren wird, durch Messen eines Teils des Ladestromes 121' und der Anschlußspannungen 229 und 227 über die FETs 111' und 223 und durch Variieren der Leitung der FETs abhängig von der Interpretation dieser Variablen. Dieser Ansatz erlaubt ein schnelleres Laden der Hilfsbatterie 107, da mit dem Annehmen von Ladung durch die Hilfsbatterie und der Annäherung ihrer Anschlußspannung 229 an die Anschlußspannung 227 des Ladesystems der Ladestrom 121' innerhalb der Grenzen der Verlustleistung der FETs 111' und 223 erhöht werden kann.
Obwohl die bevorzugte Ausführungsform die Verwendung von Pulsen zeigt, die wiederholt eine Eigen-Gatekapazität in den FETs 111' und 223 laden und entladen, können andere Treiberverfahren die eine direkte Amplitudensteuerung der FETs 111' und 223 verwendet werden. Zusätzlich liefert die offenbarte Struktur einen Schutz gegen die umgekehrte Installation einer Batterie. Insbesondere ist die Eigen-Diode 225 des umgekehrt orientierten FET 223 angeordnet, um den variablen Ladestrom (121') zu leiten und um einen Strom, der die Hilfsbatterie 107 entleert, zu blockieren oder zu verhindern, wenn die Schaltung 200 ausgeschaltet ist.
Desweiteren weist das System die Möglichkeit des Begrenzens einer übermäßigen Belastung des Ladesystems 101 durch Steuern des Ladens der Hilfsbatterie 107 in Übereinstimmung mit einer Messung der Belastung des Ladesystems 101 auf. Wie oben erwähnt wurde, wird dieses verwirklicht durch Bestimmen der Belastung des Ladesystems, abhängig von der Amplitude der Anschlußspannung 229 vor dem Verbinden der Hilfslast mit dem Ladesystem 101. Dieses bietet einen signifikanten Vorteil gegenüber Ansätzen des Standes der Technik, die diese exzessive Belastung nicht berücksichtigt haben.

Claims

1. System zum Laden einer Hilfsbatterie, die eine Hilfslast treibt, mit

einem Regler (111', 223) zum Liefern eines Ladestromes (121') von einer Hauptbatterie (103) an die Hilfsbatterie (107), bei dem der Ladestrom (121') abhängig von einem Parameter eines Steuersignales (203) variabel ist,

einem Schalter (113') zum Liefern einer Kopplung und einer Entkopplung zwischen der Hilfsbatterie (107) und der Hilfslast (109), und

einer Steuervorrichtung (115') zum Entkoppeln der Hilfsbatterie (107) von der Hilfslast (109) über den Schalter (113') und dann Liefern des Steuersignales (203) an den Regler (111', 223), bei der der Parameter des Steuersignales abhängig von einer Spannung, die über den Regler (111', 223) gemessen wird, ist.

2. System nach Anspruch 1, bei dem der Parameter des Steuersignales (203) eine Amplitude des Steuersignales (203) ist.

3. System nach Anspruch 1, bei dem der Parameter des Steuersignales (203) eine Frequenz des Steuersignales (203) ist.

4. System nach Anspruch 1, bei dem eine Intensität des Steuersignales (203) abhängig von dem Ladestrom (121'), der durch den Regler (111', 223) an die Hilfsbatterie (107) geliefert wird, ist.

5. System nach Anspruch 1, bei dem die Hilfslast (109) ein Heizelement eines Katalysators aufweist.

6. System nach Anspruch 1, bei dem eine Intensität des Steuersignales (203) an den Regler (111', 223), abhängig von einer Amplitude einer Anschlußspannung (229), geliefert wird.

7. System nach Anspruch 1, bei dem die Steuervorrichtung eine Ladungspumpenschaltung (205) zum Erhöhen des variablen Ladestroms (121), der durch den Regler (111', 223) an die Hilfsbatterie (107) geliefert wird, abhängig von einer abnehmenden Spannung (227, 229), die über den Regler (111', 223) vorhanden ist, aufweist.

8. System nach Anspruch 7, bei dem die Steuervorrichtung eine Ladungssenkenschaltung (205) zum Vermindern des variablen Ladestromes (121), der durch den Regler (111', 223) an die Hilfsbatterie (107) geliefert wird, abhängig von einer ansteigenden Spannung (227, 229), die über den Regler (111', 223) vorhanden ist, aufweist.

9. System nach Anspruch 8, bei dem der Regler (111', 223) einen ersten Transistor (111') aufweist, und bei dem eine Eigen-Kapazität des ersten Transistors (111') zum Beibehalten des variablen Ladestromes (121), der durch den Regler (111', 223) an die Hilfsbatterie (107) geliefert wird, wirkt.

10. System nach Anspruch 9, bei dem der Regler (111', 223) einen zweiten Transistor (223) aufweist, bei dem der zweite Transistor (223) eine Eigen-Diode (225), die über diesen gekoppelt ist, aufweist, und bei dem die Eigen-Diode (225) zum Leiten des variablen Ladestromes (121') angeordnet ist.

11. Verfahren zum Laden einer Hilfsbatterie, die eine Hilfslast treibt, wobei das Verfahren durch die Schritte gekennzeichnet ist:

Entkoppeln der Hilfsbatterie (107) von der Hilfslast (109) über einen Schalter (113'); und dann

Liefern eines variablen Ladestromes (121) von einer Hauptbatterie (103) an die Hilfsbatterie (107), bei dem eine Amplitude des variablen Ladestromes (121) abhängig von einem Unterschied in der Anschlußspannung über einen Regler, der zwischen die Hauptbatterie (103) und die Hilfsbatterie (107) gekoppelt ist, ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Amplitude des variablen Ladestromes (121) abhängig von einer Frequenz eines Steuersignales ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der Schritt des Lieferns das Erhöhen des variablen Ladestromes (121), der durch den Regler (111', 223) an die Hilfsbatterie (107) geliefert wird, abhängig von einer Verminderung in der Anschlußspannung (227, 229), die über den Regler (111', 223) vorhanden ist, aufweist.

14. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem eine Intensität des Steuersignales (203) an den Regler (111', 223), abhängig von einer Amplitude einer Anschlußspannung (229), geliefert wird.