DE69123263T2

DE69123263T2 - Batterieschutzsystem

Info

Publication number: DE69123263T2
Application number: DE69123263T
Authority: DE
Inventors: Arnold Betton; Edgar Hirzel
Original assignee: Baton Labs Inc
Current assignee: Baton Labs Inc
Priority date: 1990-04-04
Filing date: 1991-04-03
Publication date: 1997-06-05
Anticipated expiration: 2011-04-04
Also published as: WO1991015889A1; DE69123263D1; US5296997A; AU648791B2; JPH05506077A; EP0571383B1; EP0571383A1; AU7750791A; TW227630B; US5200877A; US5296788A; CA2078874C; EP0571383A4; JP3020273B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Schutzsystem für Fahrzeugspeicherbatterien und insbesondere bezieht sie sich auf ein System, bei dem elektrische Lasten abgetrennt werden, wenn die Batteriespannung unter einen vorbestimmten Pegel fällt, und bei dem das Fahrzeug noch ohne jegliche Bedienertätigkeit ausgenommen die normale Tätigkeit des Zündschlüssels gestartet werden kann.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Batterieschutzsysteme erfassen typischer Weise den Batteriezustand, wenn die Batterie nicht aufgeladen wird, wie es z.B. der Fall ist, wenn der Motor des Fahrzeuges ausgeschaltet ist. Sollte eine Last verbleiben, nachdem das Fahrzeug ausgeschaltet ist, wird die Last getrennt, bevor die Batterie vollkommen entladen ist. Wenn jedoch eine teilweise entladene Batterie von ihrer Last getrennt wird, steigt die über der Batterie erscheinende Spannung an. Somit erhöht sich die gemessene Spannung zu einer Spannung einer offenen Schaltung, das würde verursachen, daß die Last wieder angelegt wird, was in eine zyklische Trenn- und Anschlußtätigkeit resultiert. Weiterhin fällt die erfaßte Batteriespannung während normaler Fahrzeugstarttätigkeiten aufgrund der großen Stromsenke der Starterspule deutlich ab, aber das System darf die Lasten nicht abtrennen.
In einigen früheren Systemen wie das US-Patent 4 902 956 muß das System durch den Bediener manuell zurückgesetzt werden, damit der Fahrzeugmotor gestartet werden kann, nachdem die Lasten abgetrennt sind. Einige dieser Systeme wie das US-Patent 4 493 001, das die Grundlage für den Oberbegriff des Anspruches 1 bildet, benötigen auch spezielle Verbindungen zu anderen Elementen des Fahrzeuges, damit die Last wieder angeschlossen wird. All diese speziellen Anforderungen und Ausrüstungen sind teuer und unbequem für den Fahrzeugbediener, der bevorzugt in der Lage sein sollte, das Fahrzeug zu starten, in dem er nichts mehr als Einstecken und Drehen der Zündung tun sollte.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Batterieschutzsystem vorzusehen, das automatisch die Batterie wieder mit der Last nach der Betätigung des Fahrzeugzündsystemes verbindet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Vorrichtungen mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Ein Batterieschutzsystem ist vorgesehen, bei dem ein Signal für Entladebatterie erzeugt wird, wenn die Spannung an der Batterie unter ein ausgewähltes Niveau fällt. Ein normalerweise geschlossener Schalter wird dann zum Trennen der Batterie von der Last geöffnet. Das ausgewählte Niveau ist auf eine Spannung gesetzt, die ausreichend ist, um das Fahrzeug durch die normale Betätigung des Zündschlüssels wieder zu starten.
Das Öffnen des Schalters als Reaktion auf das Signal für entladene Batterie wird verzögert, damit sichergestellt wird, das die Batteriespannung unterhalb von dem ausgewählten Niveau während einer ausreichenden Zeit verblieben ist, damit sichergestellt wird, daß ein wirklicher Zustand niedriger Spannung existiert und nicht einfach das Resultat der normalen Starttätigkeiten. Eine Hysterese kann ebenfalls vorgesehen werden, zum effektiven Absenken der erfaßten Batteriespannung so, daß der resultierende Anstieg der Batteriespannung aufgrund der Trennung der Last nicht bewirkt, daß die Last wieder angeschlossen wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Trenntätigkeit bei niedriger Spannung verhindert werden, während der Motor läuft.
Zum erneuten Starten des Fahrzeuges, nachdem die Batterie abgetrennt worden ist, wird ein Rücksetzpuls als Reaktion auf eine Änderung in der Spannung über die Last vorgesehen, damit zeitweilig das Spannungserfassungsmittel außer Betrieb gesetzt wird und die Batterie mit der Last wieder verbunden wird. Der Rücksetzpuls wird als Reaktion auf eine Änderung in der Spannung über die abgetrennte Last erzeugt, aber seine Tätigkeit wird während einer kurzen Zeit verzögert, damit ein unerwünschtes Rücksetzen während der richtigen Trennung der Last und ein resultierender Anstieg in der Batteriespannung verhindert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das gesamte Batterieschutzsystem in eines der Batteriekabel so integriert, daß das Schutzsystem eingebaut werden kann, in dem nur das Batteriekabel im wesentlichen auf die übliche Weise eines herkömmlichen Kabels verbunden wird. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das Batterieschutzsystem in einem Gehäuse vorgesehen, das das Ende eines Batteriekabels und einen Batterieanschluß verbindet und Abmessungen so aufweist, daß es auf der Oberseite der Batterie zwischen den Anschlüssen angeordnet wird.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden weiter nach Betrachtung der folgenden detaillierten Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung verständlich gemacht, wenn sie in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen genommen wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Batterieschutzsystemes, das die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verwendet;
Fig. 2 ist eine Längsschnittansicht eines motorbetriebenen Schalters, der in dem System von Fig. 1 verwendet werden kann;
Fig. 3 ist ein Schnitt, der entlang der Linien III-III von Fig. 2 genommen ist;
Fig. 4A und 4B bilden zusammen eine bevorzugte Ausführungsform eines Schaltungsdiagrammes des Systemes von Fig. 1;
Fig. 5 ist eine Längssicht, teilweise im Schnitt eines Batteriekabels mit einem eingebauten Batterieschutzsystem gemäß der Erfindung;
Fig. 6 ist ein Schnitt, der entlang der Linien VI-VI von Fig. 5 genommen ist und den abgetrennten Schalter einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
Fig. 7A und 7B sind zwei Ansichten eines anderen gegenwärtig bevorzugten Gehäuses für das Batterieschutzsystem der Erfindung.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER GEGENWÄRTIG BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Das Batterieschutzsystem der vorliegenden Erfindung sieht Schutz für eine Fahrzeugspeicherbatterie gegen Entladen unterhalb eines vorbestimmten Spannungsschwellenwertes vor, während der Motor nicht läuft. Das System schützt gegen Entladung unterhalb eines Schwellenwertes größer als die Gesamtentladung aufgrund eines Stromziehenszustandes, der aus einer Last resultiert, die mit der Batterie verbunden ist. Das System ist automatisch tätig ohne irgendeine zusätzliche Tätigkeit durch den Fahrzeugbediener oder irgendeinen bemerkbaren Effekt, die nicht die normalen Starttätigkeiten sind.
Das System überwacht die Batteriespannung, während das Fahrzeug nicht in Betrieb ist, und es offensichtlich keine Lasten oder nur minimale Lasten gibt, die Strom aus der Batterie ziehen. Sollte jedoch eine Lasi unabsichtlich über der Batterie verbleiben, trennt das System automatisch alle Lasten von der Batterie, nachdem die Batteriespannung auf ein vorbestimmtes Niveau gefallen ist, auf dem ausreichend Leistung zum Wiederstarten des Fahrzeuges verbleibt. Ein Beispiel einer solchen Bedingung wird auftreten, wenn die Scheinwerfer des Fahrzeuges eingeschaltet bleiben, nachdem das Fahrzeug geparkt ist.
Ein bevorzugtes Spannungsniveau kann in der Größenordnung von ungefähr 70% der vollen Batterieladung sein. Zum Beispiel wird bei einer Schwefelsäurenbatterie, deren Ausgangsspannung 12,68V bei voller Aufladung ohne Last beträgt, ein beispielhaftes System, das die Prinzipien der vorliegenden Erfindung ausführt, die Last abschalten, wenn die Batteriespannung auf ungefähr 12,44V gefallen ist. Somit werden alle Lasten gut getrennt, bevor die Batterie unter den Punkt entladen ist, an dem sie nicht länger den gewünschten Kaltkurbelstrom zum Wiederstarten des Fahrzeuges liefert. Typischer Weise besitzt eine voll entladene Schwefelsäurebatterie eine Spannung von ungefähr 11,89V.
Mittel sind ebenfalls vorgesehen, die der Batterie erlauben, auf eine vorbestimmte Spannung zu fallen, die durch normale Fahrzeugstarttätigkeiten verursacht wird, ohne das die Last abgetrennt wird.
Wichtiger Weise ist die Existenz und der Betrieb des Systemes transparent für den Benutzer. Wenn ein Abschluß auf der Batterie auftreten sollte, so daß das System die Last abtrennt, wird genug Spannung in der Batterie zum Wiederstarten des Fahrzeuges nach der normalen Tätigkeit des Zündschlüssels verbleiben. Die Tätigkeit des Zündschlüssels wird durch das System so erkannt, daß automatisch die Batterie wieder zu der Last verbunden wird und somit die verbleibende Leistung der geschützten, teilweise entladenen Batterie für das Fahrzeugstartsystem vorgesehen wird.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, ist eine Fahrzeugbatterie 10 durch einen normalerweise geschlossenen Hauptschalter 12 mit einer ungeschalteten Last 14 und mit einer geschalteten Last 16 verbunden, die unter der Steuerung eines Zündschlüssels 18 steht. Die Last kann z.B. Scheinwerfer, Radio und ähnliches umfassen. Die Last 16 kann z.B. der Startermotor und die Starterspule sein. Das elektrische Standardfahrzeugsystem verbindet die Batterie mit den Lasten 14 und 16 direkt ohne das Zwischenschalten des Hauptschalters 12. Zum Anwenden des Systemes der vorliegenden Erfindung in einem elektrischen herkömmlichen Fahrzeugsystem ist es nur notwendig, den Hauptschalter 12 zwischen einen Batterieanschluß, wie der positive Anschluß, und die Lasten zu schalten, wie in Fig. 1 gezeigt ist.
Der Schalter 12 verbindet oder trennt die Anschlüsse 20 oder 22 gemäß dem Schaltzuständen, wie sie durch einen Schalttreiber 24 bestimmt sind. Wenn der Schalter 12 in der geschlossenen Position ist, sind die Anschlüsse 20, 22 miteinander verbunden, und somit ist die Batterie mit der Last verbunden. Wenn der Schalter in die offene Position getrieben wird, sind die Anschlüsse 20, 22 getrennt und die Lasten sind von der Batterie getrennt.
Die Batteriespannung an dem positiven Schalteranschluß 20 wird durch die Leitung 26 erfaßt und ist mit einem ersten Eingang mit einem Komparator 28 verbunden. Ein zweiter Eingang zu dem Komparator 28 wird durch einen Referenz- oder Schwellenspannungsgenerator 30 vorgesehen. Der Komparator gibt eine niedrige Ausgabe auf einer Leitung 31 aus, wenn die erfaßte Batteriespannung an dem Anschluß 20 unter dem Schwellenwert fällt, der durch den Schwellenspannungsgenerator 30 bestimmt ist.
Der Komparatorausgang 29 ist durch eine Verzögerungsschaltung 32, die ein Fehlersignal 33 ausgibt, mit dem Schalttreiber 24 zum Öffnen des Hauptschalters 12, nachdem die erfaßte Spannung unter dem Schwellenwert während der Verzögerungsdauer geblieben ist, verbunden. Die Erzeugung des Fehlersignales tritt auf, wenn die Spannung unter den Schwellenwert während der Dauer der Verzögerungsdauer fällt unabhängig von der Größe der Last, die diesen Zustand verursacht. Der Komparatorausgang 29 ist somit eine Funktion der Zeit allein und unabhängig von der Größe des Spannungsabfalles unter den Schwellenwert.

Verzögerungsschaltung 32

Im normalen Betrieb fällt die erfaßte Spannung auf der Leitung 26, wenn das Fahrzeug durch Einstecken des Zündschlüssels 18 gestartet wird, da die Starterspule und der Startermotor (nicht gezeigt) Strom aus der Batterie 10 ziehen. Dieser erfaßte Spannungsabfall würde normalerweise verursachen, daß der Hauptschalter 12 öffnet. Die Verzögerungsschaltung 32, die ihr Verzögerungsintervall beginnt, wenn die niedrige Batterieausgabe 29 auftritt, ist zwischen dem Komparator 28 und dem Schalter 12 gesetzt zum Verhindern des Lieferns des Fehlerpulses 33 während der Verzögerungsdauer. Wenn das Fehlersignal nicht verzögert würde, würde die Betätigung des Starters einen Abfall der Spannung an der Batterie verursachen, und das Signal niedriger Batteriespannung 29 würde an dem Ausgang der Vergleichsschaltung 28 angelegt werden.
Eine Verzögerungsdauer von 55 bis 60 Sekunden sollte lang genug sein zum Abdecken der Zeit, die normalerweise zum Starten des Fahrzeuges durch die Betätigung des Zündschlüssels 18 nötig ist. Somit wird ein erfaßter Spannungsabfall aufgrund der normalen Starttätigkeit nicht unabsichtlich den Hauptschalter 12 öffnen. Die Ausgabe des Komparators 28, die auf der Leitung 31 erscheint, steigt zum Sperren der Verzögerungsschaltung 32 vor dem Ende der Verzögerungsdauer. Die Verzögerungsschaltung wird keine Zeitabschaltung ausführen, und das Trennsignal wird nicht zu dem Schalttreiber 24 übertragen. Nach Beendigung der Starttätigkeit wird der Startermotor abgetrennt, so daß die Batteriespannung zu ihrem normalerweise höheren Pegel zurückkehrt.
Sollte die auf der Leitung 26 erfaßte niedrige Spannung von einem Abfluß der Batterie verursacht werden, so daß die Batteriespannung in einem abgesenkten Zustand länger als die Verzögerungsdauer verbleibt, wird die Verzögerungschaltung 32 ihre Zeit überschreiten und das Fehlersignal 33 zu dem Schalttreiber 24 liefern. Diese Tätigkeit bewirkt, daß sich der Hauptschalter 12 öffnet und die Lasten von der Batterie trennt. Wenn die Lasten getrennt sind, gibt es keinen weiteren Abfluß von der Batterie.
Nach dem Trennen beginnt die Spannung über die Anschlüsse 20, 22 zu steigen, und innerhalb mehrerer Minuten erreicht sie die Spannung der offenen Schaltung der Batterie. Die Spannung der offenen Schaltung kann jedoch oberhalb der Schwellenspannung der Schaltung 30 liegen. Somit kann das Ansteigen der Spannung bewirken, daß die Ausgabe 29 des Komparator 28 steigt und in ein Wiederanlegen der Lasten resultiert. Damit solch ein zyklischer Betrieb verhindert wird, wird ein Hystereserückkoppelsignal auf einer Leitung 34 zu dem Spannungserfassungseingang des Komparators 28 zum Halten des Einganges auf einem Wert unterhalb des Schwellenwertes geliefert. Diese Rückkopplung verhindert das Schließen des Hauptschalters 15 und vermeidet somit wiederholtes zyklisches Ein- und Ausschalten.

Rücksetzschaltung 40

Eine Systemrücksetzschaltung 40 ist bevorzugt vorgesehen zum kontinuierlichen Prüfen der abgetrennten Last und zum Erfassen einer Änderung in der Last, die durch einen Versuch verursacht wird, das Fahrzeug wieder zu starten. Ein Testspannungsgenerator 40 ist über den Hauptschalter 12 geschaltet und wird von dem positiven Anschluß 20 mit Leistung versorgt. Der Testspannungsgenerator 44 verwendet eine geschlossene Schleife, eine negative Rückkopplungsanordnung zum Aufstellen einer kleinen Testspannung an seinem Ausgang auf einer Leitung 46. Ein bevorzugter Wert für solch eine Testspannung ist ungefähr 3 Millivolt.
Die Anordnung der geschlossenen Schleife hält eine relativ stabile Spannung auf der Leitung 46 über einen weiten Bereich von Lasten aufrecht. Die Spannung auf der Leitung 46 ist durch einen Verstärker 50 mit einer Vergleichsschaltung 52 verbunden. Die Vergleichsschaltung 52 vergleicht die verstärkte Spannung auf der Leitung 46 mit einer durch eine Referenzschaltung 54 aufgestellten Referenzspannung. Die Differenz zwischen der Rückkopplungsspannung auf der Leitung 46 und der Referenzspannung erscheint als eine Ausgabe von der Vergleichsschaltung 52 auf einer Leitung 55. Die Ausgabe auf der Leitung 55 dient als eine Eingabe zu dem Testspannungsgenerator 44 zum Variieren des Wertes der erzeugten Spannung, in dem Änderungen der Spannung auf der Leitung 46 minimiert werden. Diese negative Rückkopplung stabilisiert die Testspannung bei einem kleinen Wert über einen weiten Bereich von Lasten.
Die Testspannung auf der Leitung 46 wird an beide Lasten 14, 16 durch eine Leitung 46 und durch den Anschluß 22 des Hauptschalters 12 angelegt. Diese kleine Spannung wird an die Lasten 14, 16 angelegt, während sie von der Batterie 10 getrennt sind und nachdem der Hauptschalter 12 geöffnet worden ist aufgrund eines unabsichtlichen Batterieabflusses.
Die Betätigung der Zündung durch Starten des Fahrzeuges schließt den Zündschalter 18 und schaltet die Starterspule (Lastschaltung 16) momentan parallel zu dem kleinen Kaltwiderstand der Last 14. Schließen des Zündschalters 18 bewirkt daher eine sehr kleine Änderung in dem Widerstand über die Last 14, die die auf der Leitung 46 zu sehende Spannung ändert. Diese Änderung in der Spannung bewirkt, daß eine Ausgabe auf der Leitung 55 von der Schaltung 52 erscheint. Diese Ausgabe wird durch eine Leitung 62 zu einem Rücksetzpulsgenerator 60 durchgeschleift. Der Rücksetzpulsgenerator 60 legt ein Rücksetzsignal an die Schwellenwertschaltung 30 an. Das Rücksetzsignal dient zum Senken der Schwellenspannung an dem zweiten Eingang des Komparators 28, und als Resultat wird die Verzögerungsschaltung 32 zurückgesetzt, wodurch Fehlerpulse entfernt werden. Entfernen der Fehlerpulse bewirkt, daß der Treiber 24 den unterbrochenen Hauptschalter 12 schließt.
Die Tätigkeit des Zündschalters 18 wird durch die Rücksetzschaltung 40 erfaßt, die an den Schalttreiber 24 zum im wesentlichen unmittelbaren Schließen des Hauptschalters 12 angreift. Das Schließen des Schalters 12 wird bevorzugt in weniger als 1 Sekunde erzielt. Der Betrieb ist derart, daß der Fahrzeugfahrer keine Verzögerung oder keinen Unterschied in der Tätigkeit bemerkt und in der Lage ist, das Fahrzeug auf eine normale Weise zu starten.

Unterbrechungsverzögerungsschaltung 66

Wenn eine niedrige Batteriespannung erfaßt worden ist und länger als die Verzögerungsdauer bleibt, wird der Schalter 12 geöffnet und die Spannung an dem Anschluß 22 beginnt schnell zu fallen. Die Rücksetzschaltung 40 würde normalerweise diesen Abfall in der Spannung erfassen und einen Rücksetzpuls zum unmittelbaren Schließen des Schalters 12 erzeugen. Wenn es erlaubt würde, daß diese geschieht, würde das System wiederholt einen Zyklus von Ein und Aus durchführen. Damit solch ein Zyklus vermieden wird, muß der Rücksetzpulsgenerator 60 während einer ausgewählten Zeitdauer (in der Größenordnung von einigen Sekunden) mittels einer Unterbrechungsverzögerungsschaltung 66 gesperrt werden, die durch Auftreten des Fehlersignales 33 angestoßen wird. Somit wird die Rücksetzschaltung effektiv von der Schwellenwertschaltung und einer kurzen Zeitdauer isoliert, nachdem der Hauptschalter 12 geöffnet ist.
Nachdem der Hauptschalter 12 während mehrerer Sekunden offengeblieben ist, wird die Spannung an dem Anschluß 22 relativ stabil, und dem Rücksetzpulsgenerator 60 wird wieder ermöglicht, tätig zu sein, bis der Zündschalter wieder betätigt wird. Danach schließt ein gültiger Rücksetzpuls schnell den Schalter 12 und ermöglicht Strom von der Batterie, zu der Starterspule geliefert zu werden.

Motorlaufschaltung 61

Die soweit erörterte Schutzschaltung wird jedesmal tätig, wenn die Batteriespannung unter den vorbestimmten Schwellenwert fällt, wobei dies auftritt, während das Fahrzeug geparkt ist oder während der Motor läuft. Für die meisten Anwendungen ist jedoch nicht wünschenswert, die Lasten von der Batterie zu trennen, wenn der Motor läuft. Wenn die Batteriespannung unter den Schwellenwert fallen sollte, während der Motor läuft, öffnet sich der Hauptschalter 12. Wenn der Wechselstromgenerator während solchen Auftretens nicht tätig ist, um elektrische Leistung zu liefern, hält der Fahrzeugmotor einfach ein. Folglich wird ein Motorlaufsignal bevorzugt mittels einer Motorlaufschaltung 61 vorgesehen, die das erfaßte Batteriesignal anhebt und die Erzeugung des Fehlersignales verhindert.
Die Motorlaufschaltung ist tätig, in dem sie eine Welle oder eine leichte Variation des Stromes durch die Last aufgrund von entweder der Wechselstromgenerator- oder der Zündtätigkeit erfaßt, und hebt das erfaßte Batteriesignal an dem Eingang zu dem Komparator 28 an. Die Welle von dem Wechselstromgenerator oder der Zündung wird durch einen Hochleistungsverstärker verstärkt, der aus einer Reihe von Operationsverstärkern besteht. Der Hochleistungsverstärker verstärkt diese Welle in eine Rechteckwelle von ungefähr 12 Volt. Die Rechteckwelle wird dann an eine Pulspumpschaltung angelegt, die zum Halten einer Spannung oberhalb des Schwellenwertes an dem Eingang des Komparators 28 dient.

Motortreiberschalter

Eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform der Erfindung verwendet einen durch einen Motor und ein Getriebe getriebenen Schalter derart, wie er in Fig. 2 und 3 dargestellt ist. Der Motortreiber 24 (in Fig. 1 gezeigt) enthält eine Schaltung, die einen kleinen doppeltgerichteten DC-Motor 70 betreibt. Aufgrund seiner kleinen Größe kann der doppeltgerichtete DC-Motor 70 leicht irgendwo in dem Fahrzeugkörper angeordnet werden. Weiterhin kann der Motor 70 bevorzugt mit kleinen Strömen der Größenordnung von 250mA betrieben werden. Ein weiterer Vorteil des doppeltgerichteten DC-Motors 70 ist das Fehler der Empfindlichkeit gegen unbeabsichtigte Tätigkeit. Anders als einseitig gerichtete Relais des Standes der Technik ist eine unbeabsichtigte Tätigkeit aufgrund von Rauschen unwahrscheinlich, da der doppeltgerichtete Motor 70 eine positive Spannung zum Antreiben desselben in beide Richtungen benötigt.
Der Motor 70 weist ein Getriebe 72 auf, das eine Ausgangswelle 74 antreibt. Ein Gehäuse 76 ist um den Motor 70 vorgesehen, das eine Kappe 78 mit einer Innengewindebohrung 80 enthält, die drehbar und geschraubt einen Außengewindebolzen 82 aufnimmt. Der Gewindebolzen 82 weist eine nicht-kreisförmige axiale Bohrung 84 auf, die ein zugehöriges nicht-kreisförmiges Ende 86 der motorgetriebenen Welle 74 aufnimmt. Somit dreht die Drehung des Motors 70 und der Wellen 74 und 86 den Bolzen 82, so daß er axial zu dem Motor in eine der beiden Richtungen angetrieben wird.
Das äußerste Ende des Bolzens 82 weist einen festen Drehkontaktring 90 auf, der so angeordnet ist, daß er abwechselnd ein Paar von Schaltkontakte 92, 94 kontaktiert oder davon versetzt ist, die auf der Schaltkappe 78 zwischen der Kappe und der Kappenabdeckung 79 angebracht sind. Die Kontakte 92, 94 sind elektrisch voneinander isoliert und allgemein von einer halbkreisförmigen Konfiguration (Fig. 3). Die Kontakte wirken mit dem doppeltgerichteten axial angetriebenen Kontaktring 90 zusammen zum elektrischen Verbinden oder Trennen der Schaltanschlüsse 20 und 22 mit oder von den Lasten 14, 16.
Bei einer bevorzugten Ausführungsforrn ist der 12 Volt doppeltgerichtete DC- Motor 70 (Teilnummer LA 16g-324, hergestellt von Copal) ungefähr 16mm im Durchmesser und ungefähr 59mm in der Länge. Das Getriebe weist bei einer beispielhaften Ausführungsform ein Verhältnis von 1:120 und eine nominale Drehzahl von 60Upm auf, wodurch ein hohes Drehmoment und eine ausreichende Betriebsgeschwindigkeit zum Ziehen des Drehkontaktringes 90 in den richtigen elektrischen Kontakt mit den Kontakten 92 und 94 und zum Halten eines solchen Kontaktes vorgesehen werden. Die Kappe 78 und die Welle 82 sind bevorzugt aus einem nicht-leitenden Material wie Nylon zusammengesetzt. Die Kontakte 92, 94 und der Kontaktring 90 sind bevorzugt aus Messing gemacht und können mit Cadmium plattiert werden, wenn es notwendig oder gewünscht ist.
Ein zusätzlicher Vorteil des Hochgeschwindigkeitsminiaturmotors 70 ist das Polarmoment der Trägheit, das in soweit resultiert, als eine zusätzliche Halbdrehung nach seiner Antriebsleistung entfernt worden ist. Diese zusätzliche Halbdrehung erzeugt ein Überschießen in beide Richtungen der Bewegung zum Sicherstellen eines positiven Kontaktes oder einer positiven Kontaktfreiheit. Die Motorantriebsschaltung ist so ausgelegt, daß sie den elektrischen Antrieb für den Motor unmittelbar nach dem Öffnen oder Schließen der Kontakte trennt. Daher ist nur eine viertel Drehung des Kontaktringes 90 notwendig zum Öffnen oder Schließen des Schalters, und die Schalttätigkeit ist mit nur einigen wenigen Umdrehungen des Motors beendet.

Detailliertes Schaltbild

Es wird Bezug genommen auf das detaillierte Schaltbild, das in Fig. 4a und 4b gezeigt ist (wobei Fig. 4b an der rechten Seite von 4a anzuordnen ist, so daß ein vollständiges Bild gebildet wird), die an dem positiven Anschluß 20 (Fig. 4b) erscheinende Batteriespannung wird auf der Leitung 26 erfaßt und durch eine Diode 100 (Fig. 4a) an das obere Ende eines Spannungsteilers angelegt, der aus Widerständen 102 und 104 gebildet ist. Die Verbindung zwischen den Widerständen 102 und 104 ist der Batteriespannungserfassungsknoten 105, und der ist mit Masse durch den Kondensator 106 verbunden. Der Spannungserfassungsknoten 105 ist ebenfalls mit dem nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 108 verbunden (der dem Komparator 28 von Fig. 1 entspricht).
An dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 108 liegt eine Schwellen- oder Referenzspannung an, die an der Kathode einer Zener-Referenzdiode 110 vorgesehen ist, die zwischen Masse und dem positiven Batterieanschluß durch einen Widerstand 112 und die Diode 100 geschaltet ist. Die durch die Zener-Diode 110 vorgesehene Schwellenspannung wird auf einem Wert, bevorzugt 6,2 Volt derart eingestellt, daß der Verstärker 108 einen normalerweise hohen Ausgang auf einer Leitung 114 vorsieht, wenn die Batteriespannung über 70% ihrer vollen Ladung beträgt.
Die durch die Zener-Diode 110 vorgesehene Schwellenspannung wird bevorzugt bei 6,2 Volt gewählt, da dies die stabilste Spannung für die meisten Zener-Dioden über eine weite Variation von Temperaturen ist. Ein Spannungsteiler, der aus den Widerständen 102, 103 und 112 zusammengesetzt ist, ist derart konfiguriert, daß, wenn die Spannung an den Batterieanschlüssen auf das vorbestimmte Niveau fällt (ungefähr 70% der vollaufgeladenen Spannung), die an dem invertierenden Eingang des Verstärkers 108 anliegende Spannung 6,2 Volt ist. Das Spannungsteilernetzwerk setzt daher die Schwellenspannung auf den optimalen Betriebsbereich für die Zener-Diode 110 herab. Die parallele Kombination der Widerstände 102 und 103 erlaubt eine genaue Kalibrierung des Spannungsteilernetzwerkes zum Erzielen des 6,2 Volt Schwellenwertes.
Ein kleiner Betrag einer positiven Rückkopplung wird durch den nicht invertierenden Eingang des Verstärkers 108 durch die parallele Kombination eines Widerstandes 115 und eines Widerstandes 116 vorgesehen, so daß jegliches Rauschen auf dem Ausgang des Verstärkers 108 minimiert wird. Dieser Ausgang wird als der Auslöseeingang für einen programmierbaren und rücksetzbaren Zähler/Zeitgeber 120 (entsprechend der Verzögerungsschaltung 32 in Fig. 1) vorgesehen. Ein zweiter Eingang zu dem Zähler/Zeitgeber 120 wird von der Verbindung eines Kondensators 122 und eines Widerstandes 124 vorgesehen, die zwischen die positive Batteriespannung und Masse geschaltet sind. Dieser Eingang stellt die Zählfrequenz für den Zeitgeber 120 her. Der Zeitgeber 120 wird auf Null nach dem Empfangen einer hohen Ausgabe von dem Verstärker 108 zurückgesetzt und ausgelöst zum Zählen durch eine niedrige Ausgabe von dem Verstärker 108.
In seinem Zählzustand zählt der Zeitgeber von Null bis zu einem vorbestimmten Zählwert, der die gewünschte Verzögerung darstellt, bevor der Hauptschalter 12 unterbrochen wird. Wenn der vorbestimmte Zählwert erreicht ist, steigt die normalerweise niedrige Ausgabe des Zählers auf einer Leitung 126 zum Antreiben eines NPN-Emitterfolgertransistors 128, der ein hohes Signal für den invertierenden Eingang einer Motortreibersteuerung vorsieht. Die Motortreibersteuerung weist einen Operationsverstärker 130 auf, dessen invertierender Eingang mit dem Emitter des Transistors 128 verbunden ist.
Der Zähler/Zeitgeber 120 fährt fort zu zählen, solange die Ausgabe 114 von dem Verstärker 108 niedrig bleibt. Sollte die Ausgabe 114 zu ihrem normalen hohen Zustand zurückkehren, nachdem der Zähler das Zählen begonnen hat, bevor er seinen vollen vorprogrammierten Zählwert erreicht hat, wird der Zeitgeber 120 auf Null zurückgesetzt. Ein hohes Signal an dem Zeitgeberausgang 126 tritt nicht auf, wenn nicht der Ausgang von dem Verstärker 108 während der vollen Dauer des in den Zeitgeber 120 programmierten Zählwertes niedrig bleibt. Wie zuvor erwähnt wurde, beträgt diese Zeitdauer bevorzugt ungefähr 55 bis 60 Sekunden und verhindert, daß die Batterieschutzschaltung die Batterie abtrennt, wenn die Batteriespannung einem momentanen Abfall unterliegt.
Eine Referenzspannung ist an den nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 130 von der Kathode einer Zener-Diode 132 angelegt, die zwischen Masse und die positive Batteriespannung durch einen Widerstand 134 und die Diode 100 geschaltet ist. Ein hohes Signal, das an den invertierenden Eingang des Verstärkers 130 angelegt ist, wenn mit der Referenzspannung verglichen wird, sieht ein niedriges Signal an den Ausgang 137 des Verstärkers 130 vor. Dieser niedrige Ausgang 137 weist das oben erläuterte Fehlersignal auf, daß die Treiberschaltung des Motors 70 zum Öffnen des Hauptschalters 12 betätigt.
Eine Rückkopplungsschleife ist von dem Ausgang des Verstärkers 130 über eine Leitung 131, durch einen Widerstand 133 und eine Diode 139 zu dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 108 vorgesehen. Das Fehlersignal wird dadurch zu dem nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 108 zurückgekoppelt, damit sein Eingang ausreichend niedrig gehalten wird zum Sicherstellen des Beibehaltens der Fehlerausgabe. Diese Rückkopplungsschleife ist notwendig, wie oben erläutert wurde, da die Batteriespannung dazu neigt, wenn der Hauptschalter 12 öffnet, anzusteigen, was das System rücksetzten könnte.
Während der Hauptschalter 12 geschlossen ist, erscheint eine hohe Spannung an dem Ausgang des Verstärkers 130, die durch eine Leitung 135 und einen Widerstand 136 an einen NPN-Transistor 138 angelegt wird. Der Transistor 138 treibt einen PNP-Transistor 140, dessen Emitter mit der Batterie verbunden ist und dessen Kollektor durch eine Leitung 142, einen Widerstand 144 und eine Diode 146 mit der Basis eines PNP-Transistors 148 verbunden ist. Der Emitter des Transistors 148 ist mit der Basis eines PNP-Leistungstransistors 150 verbunden. Der Kollektor des Transistors 148 ist durch eine Leitung 149 und einen Widerstand 151 mit der Basis eines zweiten PNP-Leistungstransistors 152 verbunden, dessen Emitter mit dem positiven Batterieanschluß 20 verbunden ist.
Ein hohes Signal an dem Ausgang des Verstärkers 130 schaltet den Transistor 138 ein, der die Transistoren 140, 148, 150 und 152 aktiviert. Wenn die Transistoren 140, 148, 150 und 152 leiten, fließt Strom von dem Batterieanschluß 20 durch den Transistor 152 zu einem ersten Motoranschluß 154. Der Pfad setzt sich durch den Motor, durch einen zweiten Motoranschluß 156 und dann durch den Leistungstransistor 150 zu Masse fort. Der Fluß des Stromes bewirkt, daß der Motor 70 in der Richtung zum Schließen des Hauptschalters 12 tätig wird. Wenn der Hauptschalter 12 geschlossen ist, empfängt der Anschluß 22 die durch eine Diode 158 zu dem Emitter des Transistors 138 übertragene Batteriespannung, wodurch der Transistor 138 als auch die Transistoren 152 und 150 der Motortreiberschaltung abgeschnitten werden.
Während der Hauptschalter 12 geschlossen ist, befindet sich das Schutzsystem in einer Gleichgewichtsbedingung. Bei dieser Bedingung ist das elektrische Fahrzeugsystem tätig, als wenn das Schutzsystem abwesend wäre. Batterielasten, Lichter, Zündung und ähnliches können ohne Effekt auf das Schutzsystem angelegt werden, da der Wechselstromgenerator Leistung für diese Lasten vorsieht. Wenn jedoch der Fahrzeugmotor aus ist und eine elektrische Last zwischen den Batterieanschlüssen geschaltet ist derart, als wenn die Scheinwerfer angelassen werden, oder wenn es einen Kurzschluß gibt oder wenn ein anderer Fehler auftritt, der ein Abfluß aus der Batterie verursacht, beginnt die Batterieausgangsspannung abzunehmen.
Mit fortgesetzter Abnahme fällt die Spannung an dem Erfassungsknoten 105 schließlich unter den Schwellenwert, der durch die Zener-Diode 110 aufgestellt ist, und verursacht, daß der Ausgang des Verstärkers 108 abfällt und die Tätigkeit des Zeitgebers 120 initiiert. Wenn der Zustand der niedrigen Batterie während einer Zeitdauer länger als der vorbestimmte Zählwert anhält, steigt der Ausgang des Zeitgebers 120 und treibt den Ausgang des Verstärkers 130 niedrig. Dieser niedrige Ausgang wird an die Basis eines PNP-Transistors 170 angelegt, der leitend wird, wodurch ein NPN-Transistor 172 eingeschaltet wird.
Der Kollektor des Transistors 172 ist durch einen Widerstand 174 und eine Diode 176 mit der Basis eines PNP-Transistors 178 verbunden, dessen Emitter mit der Basis eines PNP-Leistungstransistors 18Ö verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 180 ist mit dem Motoranschluß 156 verbunden. Der Kollektor des Transistors 178 ist durch eine Leitung 177 und einen Transistor 179 mit der Basis eines NPN-Leistungstransistors 182 verbunden. Der Kollektor des Leistungstransistors 182 ist mit dem Motoranschluß 154 verbunden.
Folglich schaltet ein niedriges Signal an dem Ausgang des Verstärkers 130 die Transistoren 170, 172, 178, 180 und 182 ein. Einschalten dieser Transistoren bewirkt, daß Strom von der positiven Seite der Batterie durch den Anschluß 22 und den Leistungstransistor 180, durch den Motor von dem Anschluß 156 zu 154 (was entgegengesetzt zu der Richtung ist, in der Strom fließt, wenn der Hauptschalter 12 offen ist) und dann durch den Transistor 182 zu der Masse fließt. Dieser Stromfluß dreht die Richtung der Motortätigkeit so um, daß der Schaltkontaktring 90 von den Kontakten 92, 94 weggetrieben wird und die Lasten von der Batterie trennt.
Während der Hauptschalter offen ist, erscheint die Batteriespannung nicht länger an dem Anschluß 22, und es gibt keinen Treiberstrom durch den Transistor 180 zu den Rest der Schaltung. Weiteres Erregen des Motors wird gestoppt, sobald der Hauptschalter 12 geöffnet ist. Ein Widerstand 186, der zwischen die Basis des Transistors 178 und den Anschluß 22 geschaltet ist, und ein Widerstand 188, der zwischen die Masse und die Basis des Transistors 148 geschaltet ist, sehen Umgebungspfade zum Sicherstellen derart vor, daß die Leistungstransistoren in ihren Nicht-Betriebszuständen abgeschnitten sind. Dieses schließt die Möglichkeit des gleichzeitigen Erregens entgegengesetzter Sätze von Transistoren zum Treiben des Motors 70 in entgegengesetzte Richtungen aus.
Bevorzugt werden die Transistoren 138 und 170 durch eine Schaltung mit den Widerständen 160, 162, 164 und 166 rückwärts vorgespannt, die zum Vorsehen eines positiven Potentiales von der Batterie zu den Emittern dieser Transistoren geschaltet sind. Diese Rückwärtsvorspannungsschaltung verhindert jede zweideutigen Zustände für den Verstärker 130, der sonst zur gleichen Zeit an beide Transistoren 138 und 140 angreifen könnte.
Während der Hauptschalter 12 offen ist, sieht die Rücksetzschaltung, nach dem ein Fehler erkannt worden ist, einen relativ kleinen aber stabilen Teststrom für die Lasten (jetzt von der Batterie getrennt) vor. Der Teststrom bleibt bei seinem stabilisierten Wert über einen weiten Bereich von Lastwiderständen. Der Rücksetzteststrom wird durch einen PNP-Transistor 200 (der den Testspannungsgenerator 44 von Fig. 1 entspricht) erzeugt, dessen Emitter durch einen Widerstand 202, die Leitung 26 und die Diode 100 mit dem positiven Anschluß der Batterie verbunden ist. Dieser Transistor wird durch Öffnen des Hauptschalters 2 nicht gesperrt. Der Kollektor des Transistors 200 ist durch eine Diode 204 und eine Testleitung 206 mit dem Anschluß 22 des Hauptschalters 12 verbunden. Effektiv ist dieser Teststromerzeugungstransistor 200 parallel zu dem Hauptschalter 12 zum Verbinden der Batterie direkt mit der Last durch den Transistor 200, die Diode 204, den Widerstand 200 und die Diode 100 verbunden.
Strom, der durch den Transistor 200 fließt, wird auf einem sehr kleinen Wert so stabilisiert, daß eine stabile Spannung von 3mV an der Kathode der Diode 204 an einem Testpunkt 48 aufrechterhalten wird. Die Spannung an dem Testpunkt 48 wird durch eine Steuerschaltung einer geschlossenen Schleife mit einem ersten Operationsverstärker 201, dessen nicht-invertierender Eingang mit dem Testpunkt 48 verbunden ist und dessen Ausgang mit dem nicht-invertierenden Eingang eines zweiten Operationsverstärkers 212 verbunden ist, gesteuert und stabilisiert. Der Ausgang des Verstärkers 212 ist mit der Basis des Transistors 200 verbunden. Ein Testreferenzpotential wird an einem Punkt 214 zwischen einem Widerstand 216, der mit dem positiven Anschluß der Batterie verbunden ist, und einer Diode 218, die mit Masse verbunden ist, aufgestellt. Das Testreferenzpotential wird durch einen Widerstand 220 an den invertierenden Eingang des Verstärkers 212 angelegt. Diese Anordnung sieht eine Stabilisierung einer geschlossenen Schleife für den Teststrom und die Spannung an dem Testpunkt 48 vor, damit ein weiter dynamischer Bereich von Lastwiderständen aufgenommen werden kann.
Die Schaltung hält eine konstante Spannung an dem Testpunkt 48 unabhängig davon, ob die unabsichtlich eingeschaltete Last (die den erfaßten Fehler verursacht) kleine Lichter wie Handschuhfach- oder Kofferraumlichter oder Scheinwerfer aufweist. Wenn jedoch eine zweite vorbestimmte Last wie die Starterspule momentan über den kleinen Kaltwiderstand dieser Last geschaltet ist, tritt eine kleine Änderung in den Lastwiderstand auf, die eine kleine aber scharfe Abnahme in dem Testsignal in dem Punkt 48 verursacht. Bei der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform weist die zweite vorbestimmte Last die Starterspule auf. Es ist jedoch durch den Fachmann zu erkennen, daß die zweite Last andere geeignete Lasten aufweisen kann, die auf ähnliche Weise geschaltet sind.
Diese Änderung wird durch die Verstärker 210 und 212 zum Vorsehen eines negativen Pulses an dem Ausgang des Verstärkers 212 verstärkt. Dieser negative Puls wird durch einen Kondensator 222 an den nicht-invertierenden Eingang eines Operationsverstärkers 224 angelegt. Der Operationsverstärker 224 weist eine Referenzspannung, die an seinem invertierenden Eingang aufgestellt wird, zwischen der Kathode einer Diode 205 und einer Zener-Diode 228 auf. Ein Widerstand 226, die Diode 205 und die Zener-Diode 228 sind zwischen den positiven Batterieanschluß und Masse positioniert. Der negative Puls von dem Verstärker 212 sieht ebenfalls einen negativen Puls an dem Ausgang eines Verstärkers 224 vor, der mit der Basis eines NPN-Transistors 230 verbunden ist, was den normalerweise leitenden Transistor 230 abschneidet.
Das Abschneiden des Transistors 230 sieht einen Basisantrieb für einen NPN- Transistor 232 vor, der in die Leitung getrieben wird. Der Transistor 232 ist normalerweise durch die Verbindung seines Emitters mit dem positiven Batterieanschluß durch einen Widerstand 236 abgeschnitten. Das Einschalten des Transistors 232 setzt eine niedrige Spannung über eine Diode 240 und an dem Schwellenspannungsreferenzpunkt zwischen der Anode der Zener-Diode 110 und dem nicht-invertierenden Erfassungsverstärker 108. Somit wird während eines versuchten Neustartes des Fahrzeuges die Schwellenspannung für den Verstärker 108 abgesenkt, und das System wird zurückgesetzt.
Während des versuchten Neustartes senkt das Rücksetzsystem den Schwellenwert auf einen Punkt unterhalb der Spannung der Batterie zu der Zeit, zu der sie von der Last getrennt wurde. Als Resultat steigt der Ausgang des Erfassungswiderstandes 108, wodurch ein niedriger Ausgang an dem Zeitgeber und ein hohes Signal an dem Ausgang des Verstärkers 130 vorgesehen werden. Diese Hoch von dem Verstärker 130 aktiviert den Motor, wie zuvor beschrieben wurde, in die Richtung des Schalterschließens und bewirkt das Schließen des Hauptschalters 12. Wenn der Hauptschalter 12 geschlossen ist, ist die Batteriespannung wieder zum Starten des Fahrzeugmotors verfügbar.
Eine Unterbrechungsverzögerungsschaltung (Element 66 von Fig. 1) ist vorgesehen zum Verhindern, daß die Rücksetzschaltung die Batterie wieder anschließt, nachdem die Last das erstemal getrennt worden ist, und ein schneller Abfall der Spannung an dem Anschluß 22 auftritt. Die Unterbrechnungsverzögerungsschaltung weist einen Operationsverstärker 118 auf, der mit einem Paar von Widerständen 244, 246 verbunden ist. Der nicht-invertierende Eingang zu dem Verstärker 118 ist zwischen einen Widerstand 117, der mit dem Emitter des Transistors 118 verbunden ist, und einen Kondensator 119, der mit Masse verbunden ist, geschaltet. Der invertierende Eingang zu dem Operationsverstärker 118 ist mit der Kathode einer Diode 225 verbunden. Die Widerstände 244, 246 sind zwischen den Ausgang des Verstärkers 118 und der Basis des Transistors 232 und des Kollektors des Transistors 230 geschaltet. Eine Diode 248 ist über den Widerstand 244 geschaltet, und ihre Anode ist mit Masse durch einen relativ großen Kondensator 250 verbunden.
Der Kondensator 250 ist dem normalen Zustand (der Hauptschalter 12 ist geschlossen) entladen, wobei er mit den normalerweise niedrigen Ausgang des Verstärkers 118 verbunden ist. Basistreiber für den Transistor 232 wird von der Ladung dieses Kondensators durch den Widerstand 246 erhalten. Somit ist der Transistor 232 normalerweise aus.
Wenn der Hauptschalter 12 öffnet, wird der Emitter des Transistors 128 hochgezogen, was verursacht, daß der Ausgang des Verstärkers 118 ansteigt. Wenn dieser Ausgang ansteigt, beginnt der Kondensator 250, langsam durch den Widerstand 244 aufgeladen zu werden. Die Ladung auf dem Kondensator bleibt jedoch auf einem relativ niedrigen Wert wegen der großen Zeitkonstante des Kondensators 250 und des Widerstandes 244. Daher leitet der Transistor 232 während mehrerer Sekunden nicht, nach dem der Hauptschalter 12 öffnet. Somit ist die Systemrücksetzschaltung während einer Zeit, bevorzugt in der Größenordnung mehrerer Sekunden unmittelbar nach dem Öffnen des Hauptschalters 12 gesperrt. Nach dem der Hauptschalter 12 während einer ausreichenden Zeit zum Ermöglichen, daß der Kondensator 250 voll geladen ist, offengeblieben ist, wird der Transistor 232 durch den negativen Rücksetzpuls eingeschaltet, der von dem Verstärker 224 vorgesehen wird, wodurch der Transistor 230 abgeschaltet wird.
Während der Motor läuft, tritt elektrisches Rauschen von dem Betrieb des Wechselstromgenerators oder der Zündung an dem Testpunkt 48 auf. Dieses Rauschen wird in einer Reihen von Rechteckwellen von ungefähr 12 Volt Amplitude von dem Ausgang des Verstärkers 224 verstärkt. Das Rauschsignal, das auf der Leitung 206 an dem Punkt 48 auftritt, wird an das Paar von Operationsverstärkern 210, 212 angelegt, die als Hochleistungsverstärker dienen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Gewinn dieses Hochleistungsverstärkers ungefähr 44.000. Der Ausgang von dem Hochleistungsverstärker wird an den nicht-invertierenden Eingang des Verstärkers 224 durch den Kondensator 222 angelegt.
Die Motorlaufschaltung, die durch den Ausgang des Verstärkers 224 getrieben wird, enthält einen Kondensator 225 und ein Paar von entgegengesetzten gepolten Dioden 227, 229. Die Dioden 227 und 229 sind mit entgegengesetzten Seiten des Kondensators 106 verbunden, der selbst zwischen Masse und den nicht-invertierenden Eingang des Komparatorverstärkers 108 geschaltet ist. Die Motorlaufschaltung ist daher eine Pulspumpe, die sicherstellt, daß der Kondensator 106 über ein vorbestimmtes Spannungsniveau aufgeladen bleibt.
Bei der steigenden Flanke einer jeden an dem Ausgang des Verstärkers 224 vorgesehenen Rechteckwelle wird eine kleine Spannungserhöhung zu dem Kondensator 225 addiert. Diese zunehmende Spannung ist umgekehrt proportional zu dem Verhältnis des Kondensators 225 zu dem Kondensator 106. Bei z.B. einem Verhältnis von 0,01:2 addiert jede Rechteckwelle 1/200 der Rechteckamplitude zu dem Kondensator 106. Bei jeder fallenden Flanke der Rechteckwelle entlädt sich der Kondensator 225 durch die Diode 229. Der Kondensator 106 wird jedoch kontinuierlich durch den Widerstand 104 entladen. Somit ist bei Motorlaufbedingungen diese Schaltung tätig zum Aufrechterhalten eines relativ hohen Potentiales an dem nicht-invertierenden Eingang des Komparatorverstärkers 108, was einen Abfall der erfaßten Batteriespannung verhindert, solange der Motor in Betrieb ist. Da der Abfall der erfaßten Batteriespannung durch das Motorlaufsignal maskiert wird, wird das Öffnen des Hauptschalters 12 verhindert.
Tabelle 1 unten enthält eine Liste geeigneter Komponenten für einige der oben beschriebenen Elemente.

BATTERIEKABELGEHÄUSE

Das Batterieschutzsystem kann bei jedem vorhandenen Fahrzeug nachgerüstet werden, indem einfach das System zwischen die Lasten und den positiven Anschluß der Batterie eingefügt wird. Es ist auch überlegt, daß dieses System als Teil der Batterie eingesetzt wird oder in einem getrennten Gehäuse, das direkt auf die Batterie oder unmittelbar benachbart zu der Batterie angebracht wird. Das System kann auch physikalisch und elektrisch in die Batterie selbst so eingebaut werden, daß das System in einem Fahrzeug zusammen mit oder als ein Teil der Batterie verkauft oder eingebaut werden kann.
Obwohl es viele verschiedene Arten gibt, bei denen das Batterieschutzsystem tatsächlich in das elektrische Fahrzeugsystem eingesetzt wird, ist in einer bevorzugten Ausführungsform das System in das Batteriekabel eingesetzt. Einbauen dieses Systemes benötigt nur das Ersetzen eines vorhandenen Batteriekabels durch das neue Batteriekabel. Solch ein Batteriekabel ist in Fig. 5 und 6 gezeigt.
Ein modifiziertes Batteriekabel enthält einen ersten Kabelabschnitt 300 mit einem Steckverbinder 302, der ausgelegt ist, um mit einem Batterieanschluß verbunden zu werden. Ein zweiter Batteriekabelabschnit 304 mit einem Steckverbinder 306 ist ausgelegt, um mit den Fahrzeuglasten verbunden zu werden. Zwischen die zwei Abschnitt ist das Batterieschaltungsschutzsystem 308 eingesetzt, das ein Gehäuse 310 enthält, das gegossen oder sonst wie aus einem geeigneten kräftigen, schützenden und nicht-elektrisch leitenden Kunststoff gemacht ist. Der Motor und die Schaltanordnung, die in Fig. 2 dargestellt sind, sind in dem Gehäuse 310 angebracht (und können darin eingekapselt sein) und sind in Fig. 5 als Motor 370, Getriebe 372 und Hauptschalter 318 gezeigt.
Der Hauptschalter 3 18 weist eine erste und zweite Seite bzw. Anschlüsse 320 und 322 auf, die elektrisch miteinander verbunden sind oder voneinander isoliert sind durch die Tätigkeit des Schalters. Ein Ende des Batteriekabelabschnittes 300 erstreckt sich durch eine Seite des Gehäuses 310 (und ist damit fest verbunden) und ist mit dem Schaltanschluß 320 verbunden. Ähnlich erstreckt sich ein Ende des Batteriekabelabschnittes 304 teilweise durch die andere Seite des Gehäuses 310 (und ist fest damit verbunden) und ist mit dem Schaltanschluß 322 verbunden.
Eine Leiterplatte 350 ist sicher innerhalb des Gehäuses 310 angebracht (und kann darin eingekapselt sein) und durch Leitungen 352 und 354 mit den Schaltanschlüssen 320, 322 und durch Leitungen 356, 358 mit dem Motor 370 verbunden. Die Schaltung 350 ist ebenfalls durch eine Leitung 360 mit dem äußeren des Gehäuses 310 zur Verbindung mit der Fahrzeugmasse verbunden.
Obwohl das Gehäuse 310 verschiedene Formen annehmen kann, weist es bevorzugt einen nahezu massiven Kunststoffkörper auf, der effektiv alle gezeigten Teile einkapselt und somit nur eine Vergrößerung eines Mittelabschnittes des gemeinsamen Batteriekabels wird.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform, die in Fig. 7A und 7B gezeigt ist, kann das Batterieschutzsystem direkt auf der Oberseite der Batterie zwischen den Anschlüssen angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform sind die Batterieanschlüsse von einer Standardgröße gemäß dem Battery Council International und/oder Society of Automotive Engineers. Diese Anschlüsse können angeschrägte Anschlußpfosten sein, bei denen der negative Anschluß einen kleinen Durchmesser von 12,7/20,3cm (5/8") aufweist und der positive Anschluß einen kleinen Durchmesser von 27,9/40,6cm (11/16") aufweist; beide Anschlüsse weisen eine 1-1/3-Anschrägung pro 30cm (1 Fuß) und eine minimale Länge der Anschrägung von 12,7/20,3cm (5/8") auf. Auf eine Weise ähnlich zu der oben in Zusammenhang mit Fig. 5 und 6 beschriebenen ist das Batterieschutzsystem dieser Erfindung in ein Gehäuse 400 eingeschlossen, das gegossen ist oder anderweitig hergestellt ist aus einem geeigneten, schützenden und nicht-elektrisch leitenden Kunststoff.
Mit dem Gehäuse 400 ist ein Batterieanschlußsteckverbinder 402 verbunden, der bevorzugt an dem positiven Batterieanschluß 420 angebracht ist. Dieser Steckverbinder 402 weist die geeigneten oben beschriebenen Abmessungen zum Verbinden mit einem derartigen Anschluß 420 auf. Auch ein Anschluß 404 ist mit dem Gehäuse 400 verbunden. Der Anschluß 404 ist vorteilhafter Weise so ausgelegt, daß ein normales Batteriekabel 424 damit verbunden werden kann. Als solcher weist der Anschluß 404 die gleichen Abmessungen auf, wie sie oben für einen positiven Batterieanschluß beschrieben wurden. Ebenfalls ist ein Steckverbinder 406 mit dem Gehäuse 400 gekoppelt, der an dem Batteriekabel 426 angebracht ist, bevorzugt an dem negativen Batterieanschluß 422. Der Steckverbinder braucht kein Batterieanschlußsteckverbinder wie der Batterieanschlußsteckverbinder 402 zu sein. Da das Batteriekabel selbst an dem negativen Anschluß in der in Fig. 78 gezeigten Ausführungsform angebracht ist, kann der Steckverbinder 406 einfach eine Scheibe oder ein "C"-Steckverbinder sein, der in den Batterieanschlußsteckverbinder paßt, wie gezeigt ist.
Bei der in Fig. 7B gezeigten Art und Weise wird das Batterieschutzsystem leicht bei vorhandenen Batterien nachgerüstet Anstelle des Anbringens des positiven Batteriekabels 424 an dem positiven Anschluß der Batterie 420 wird das Kabel an dem Anschluß 404 angebracht. In der normalen Art wird das negative Batteriekabel 426 an dem negativen Anschluß 422 angebracht. Das Batterieschutzsystem ist einfach mit der Batterie an den positiven Anschluß 420 durch den Steckverbinder 402 und an dem negativen Anschluß 422 durch den Steckverbinder 406 verbunden. Die Abmessungen des Gehäuses 400 sind so, daß das Batterieschutzsystem sich nicht über die normale Höhe der Batterieanschlüsse 420, 422 oder über das obere Oberflächengebiet der Batterie erstreckt.
Es ist ein System beschrieben worden, daß Entladung einer Batterie zu einem vorbestimmten Punkt verhindert, jenseits von dem sie nicht mehr zum Starten des Fahrzeugmotors benutzt werden kann, indem eine Teilentladung der Batterie erfaßt wird und alle Lasten abgetrennt werden, während die Batterie noch ausreichend Energie zum erneuten Starten des Fahrzeugmotors enthält. Das System stellt sicher, daß das Fahrzeug durch die normale Bedienung mit dem Zündschlüssel gestartet werden kann. Solch eine Tätigkeit bewirkt, daß das Schutzsystem einen Rücksetzpuls erzeugt, der unmittelbar den Hauptschalter schließt und Batterieleistung für den Start und andere Lasten verursacht.
Es ist zu verstehen, daß ein weiter Bereich von Änderungen und Modifikationen zu den oben beschriebenen Ausführungsformen für den Fachmann ersichtlich sind und überlegt werden. Es ist daher beabsichtigt, daß die vorangehende detaillierte Beschreibung als Illustration anstatt Beschränkung angesehen wird, und es ist zu verstehen, daß die folgenden Ansprüche beabsichtigt sind, den Umfang dieser Erfindung zu definieren.

Claims

1. Vorrichtung zur Benutzung in Zusammenhang mit einem Motorsystem eines Fahrzeuges mit einer Batterie (10), einem Zündsystem und mindestens einer ersten elektrisch betriebenen Last (14), die mit der Batterie (10) verbunden ist, wobei die Vorrichtung zum elektrischen Trennen der Batterie (10) von der Last (14), wann immer die Batterieenergie unter einen vorbestimmten Wert fällt, und zum automatischen Verbinden der Batterie (10) mit der ersten Last (14) ausgelegt ist, wobei die Vorrichtung aufweist:

einen normalerweise geschlossenen Hauptschalter (12) für die Verbindung zwischen der Batterie (10) und der ersten Last (14);

einem Mittel (28, 30) zum Erfassen einer elektrischen Batterieeigenschaft, die den Batterieabfluß anzeigt, und zum Erzeugen eines Erfassungsmittelausgangssignales (29), wann immer eine Energiekapazität der Batterie (10) unter einen vorbestimmten Wert fällt;

ein Zeitgebermittel (32), das auf das Erfassungsmittelausgangssignal (29) reagiert zum Erzeugen eines Zeitgebermittelausgangssignales (33) ein vorbestimmtes Verzögerungsintervall nach dem Erfassungsmittelausgangssignal (29);

ein Mittel (32) das auf das Zeitgebermittelausgangssignal (33) zum Öffnen des Hauptschalters (12) reagiert;

gekennzeichnet durch:

ein automatisches Rücksetzmittel (60) mit einem Mittel (44) zum Anlegen einer Testspannung an die erste Last und einem Mittel (50, 52, 54) zum Erfassen einer Änderung einer Testspannung als Reaktion auf das Verbinden einer zweiten Last (16) mit der ersten Last (14) als Reaktion auf den Betrieb des Zündsystemes zum Schließen des Hauptschalters (12).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch:

ein Mittel (61) zum Erzeugen eines Signales, wenn der Motor läuft; und

ein Mittel mit einer Pulspumpschaltung (60, 61), die auf das Erfassen einer Welligkeit oder einer Stromvariation reagiert, zum Verhindern des Erzeugens des Zeitgeberausgangssignales (33) als Reaktion auf das Motorlaufsignal durch Anlegen eines Signales, das einer Spannung oberhalb des vorbestimmten Wertes entspricht, an das Mittel (28) zum Erfassen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Vorrichtung so ausgelegt ist, daß sie ganz innerhalb der Batterie (10) oder innerhalb eines Gehäuses (310, 400) angeordnet ist, das in der Nähe der Batterie (10) angeordnet ist;

wobei der Hauptschalter (12) innerhalb des Gehäuses angebracht ist, der Hauptschalter (12, 318) eine erste und eine zweite Seite (320, 322) aufweist und zwischen einer offenen Position, in der die erste und die zweite Seite elektrisch voneinander getrennt sind, und einer geschlossenen Position, in der die erste und die zweite Seite elektrisch miteinander verbunden sind, bewegbar ist;

wobei ein erster Batteriekabelabschnitt (300) ein Ende (302), das dazu ausgelegt ist, mit der Batterie (10) verbunden zu werden, und ein zweites Ende, das mit der ersten Schalterseite (320) verbunden ist, aufweist;

wobei ein zweiter Batteriekabelabschnitt (304) ein erstes Ende (306), das dazu ausgelegt ist, mit der ersten Last (14) verbunden zu werden, und ein zweites Ende, das mit der zweiten Schalterseite (322) verbunden ist aufweist;

ein zweiseitiges Drehmotormittel (70, 370) in dem Gehäuse zum Antreiben des Hauptschalters (12, 318) zwischen der offenen und geschlossenen Position angebracht ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der vorbestimmte Wert ungefähr 70% der Spannung beträgt, die bei einer vollgeladenen Batterie vorgesehen ist, wobei die Batterie eine Bleisäurebatterie aufweist und der vorbestimmte Wert ungefähr 12,24V beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Verzögerungsintervall eine Zeit größer als die Zeit ist, die normalerweise zum Starten des Fahrzeuges durch Betätigen des Zündsystemes benötigt wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der das Mittel (28, 30) zum Erfassen ein Schwellenwertmittel (30) zum Erstellen eines Schwellenpotentiales, ein Mittel (26) zum Erfassen der Batteriespannung und ein Mittel (28) zum Vergleichen der erfaßten Batteriespannung mit dem Schwellenpotenial aufweist, wobei das Rückstellmittel (60) ein Mittel (66) aufweist, das auf eine Abnahme der Spannung über die erste Last (14) reagiert, zum relativen Absenken des Schwellenpotentiales in Bezug auf die erfaßte Batteriespannung.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter mit einem Hysteresemittel (34), das auf das Zeitgeberausgangssignal (33) zum Aufrechterhalten des Zeitgeberausgangssignales (33) reagiert, wenn die Batteriespannung über den ausgewählten Pegel ansteigt, nachdem der Hauptschalter (12) geöffnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter mit einem Hysteresemittel (34), das auf das Zeitgeberausgangssignal (33) reagiert zum Bewirken, daß das Erfassungsmittel (28, 30) das Erfassungsmittelausgangssignal (29) erzeugt, wenn die Batteriespannung sich wieder erholt zum Ansteigen über den vorbestimmten Pegel, wodurch das Zeitgeberausgangssignal (33) bleibt, wenn die Batteriespannung nach dem Öffnen des Hauptschalters (12) ansteigt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das Mittel (28, 30) zum Erfassen ein Mittel (26) zum Erzeugen eines erfaßten Batteriespannungssignales aufweist und weiter ein Hysteresemittel (34) zum Senken des erfaßten Batteriespannungssignales als Reaktion auf das Erfassungsmittelausgangssignal (29) aufweist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiter mit einem Mittel (66) zum Außerbetriebsetzen des Rücksetzmittels (60) während einer vorbestimmten Zeit nach der Erzeugung des Erfassungsmittelsausgangssignales (29).

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei dem das automatische Rücksetzmittel ein Mittel (46) zum Anlegen einer relativ stabilisierten Spannung an die erste Last (14) und ein Mittel (56) zum Erfassen einer Änderung in der stabilisierten Spannung als Reaktion auf die Verbindung der zweiten Last (16) mit der ersten Last (14) aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der das Mittel zum Erfassen eine Komparatorschaltung (28) mit einem ersten Eingang, der mit der Batterie (10) verbunden ist, und einem zweiten Eingang, eine Schwellenwertreferenzschaltung (30), die mit dem zweiten Eingang zum Erstellen eines Schwellenspannungspegels verbunden ist, ein Mittel, das auf den Komparator (28) reagiert, zum Erzeugen des Erfassungsmittelausgangssignales (29) und ein Hysteresemittel (34), das auf das Zeitgeberausgangssignal (33) reagiert, zum Vorsehen einer abgesenkten Spannung an dem ersten Komparatoreingang aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei der das automatische Rücksetzmittel (60) einen Testgenerator (44) zum Erzeugen einer Testspannung, ein Mittel (46) zum Anlegen der Testspannung an die Testlastung (14), wodurch eine schnelle Variation der Spannung über die erste Last (14) die Testspannung variiert, und Mittel, das auf die Variation der Testspannung reagiert, zum Verringern des Schwellenpegels, der von der Schwellenwertschaltung (30) an dem zweiten Komparatorschaltungseingang vorgesehen wird, aufweist, wobei der Testgenerator bevorzugt eine Stromsteuervorrichtung (26, 56), die über den Hauptschalter (12) über der Batterie (10) und der ersten Last (14) geschaltet ist, und ein negatives Rückkopplungsmittel, das auf die Testspannung zum Stabilisieren der Größe der Testspannung reagiert, aufweist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit:

einem normalerweise geschlossenen zweiseitigen motorangetriebenen Schalter, der in Reihe zwischen der Batterie und der ersten Last (14) geschaltet ist, zum Antreiben des Hauptschalters (12).

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der der zweiseitige motorangetriebene Schalter bei im wesentlichen niedrigen Strömen in der Größenordnung von 250 Milliampere betreibbar ist, bei der der zweiseitige motorangetriebene Schalter Schleifkontakte aufweist, die zum Sicherstellen einer sauberen elektrischen Verbindung nach jedem Schließen des Schalters tätig sind, bei der der zweiseitige motorangetriebene Schalter weiter eine eingebaute Begrenzungsschaltung aufweist, die automatisch die Antriebsleistung für den Schalter im wesentlichen unmittelbar nach dem Öffnen und Schließen des Schalters abtrennt, und bei der zweiseitige motorangetriebene Schalter kompakt und innerhalb der Vorrichtung angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 15, bei der die Batterie (10) mindestens zwei Anschlüsse (220, 422) aufweist, wobei die Vorrichtung weiter aufweist:

eine Fassung (402), die so ausgelegt ist, daß sie mit einem (420) der mindestens zwei Batterieanschlüsse verbunden wird;

ein Gehäuseanschluß (404), der so ausgelegt ist, daß er ein Batteriekabel (424) aufnimmt; und

ein Gehäuseverbinder (406), der so ausgelegt ist, das er mit dem zweiten (422) der mindestens zwei Batterieanschlüsse verbunden wird;

wobei das Gehäuse (400) geeignet ist, zwischen den mindestens zwei Batterieanschlüssen (420, 422) positioniert zu werden.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Fassung (402) Abmessungen derart aufweist, daß sie mit dem ersten Anschluß (420) mit einem 27,9 /40,6cm (11/16 Zoll) kleinen Durchmesser verbunden wird, der Gehäuseanschluß (404) einen kleinen Durchmesser von 27,9 / 40,6cm (11/16 Zoll) aufweist und sowohl der erste als auch zweite Anschluß eine 1-1/3 Anschrägung pro 30cm (1 Fuß) und eine 12,7 / 20,3cm (5/8 Zoll) minimale Länge der Anschrägung aufweist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Hauptschalter (12) aufweist:

mindestens einen Drehschalterkontakt (90) und ein Paar von Schaltkontakten (92, 94), wobei der Drehschalterkontakt (90) zwischen einer elektrisch geschlossenen und einer elektrisch offenen Position bewegbar ist und entsprechend in Kontakt mit den Paar von Schaltkontakten (92, 94) steht oder davon getrennt ist;

einen umkehrbaren Gleichstrommotor (70) mit einer Motorwelle (74), die in einer ersten und einer zweiten entgegengesetzten Drehrichtung drehbar ist;

ein Mittel (82), das mit der Motorwelle (74) zum Betreiben des mindestens einen Drehschalterkontaktes (90) verbunden ist, zum elektrischen Öffnen und Schließen des Schalters (12, 24) als Reaktion auf die Drehung der Motorwelle (74) in die erste und zweite entgegengesetzte Drehrichtung;

ein Befehlsschaltermittel, das auf einen ersten Zustand reagiert, zum Erzeugen eines ersten Signales, und das auf einen zweiten Zustand reagiert, zum Erzeugen eines zweiten Signales; und

ein Steuerschaltungsmittel, das auf das erste Signal reagiert, zum Antreiben der Motorwelle (72) in die erste Drehrichtung, und das auf das zweite Signal reagiert, zum Antreiben der Motorwelle (74) in der zweiten entgegengesetzten Drehrichtung;

wobei der Schalter (12) zwischen der offenen und geschlossenen Position durch elektrische Signale gesteuert wird.