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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Energiemanagement-Schaltung
und insbesondere auf eine Energiemanagement-Schaltung für die Verwendung
mit einem System, das kombinierte Energieversorgungen von einer
induktiv gekoppelten Schaltung und von einer Batterie besitzt.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Transponder
sind typische Systeme, die die induktive Kopplung für die Datenübertragung
und außerdem
für die
Energieübertragung
verwenden. Die induktive Schnittstelle enthält eine Antennenspule und einen
Kondensator, die einen Resonanzkreis bilden, und einen Gleichrichter
mit einem Speicherkondensator. Weil ein Transponder mit induktiv übertragener
Energie gespeist wird, kann er batterielos sein. Ein Beispiel eines
batterielosen Transponders ist eine Fahrzeug-Wegfahrsperre. Eine
Fahrzeug-Wegfahrsperre ist eine tragbare Vorrichtung, die zusätzlich zu
einem Transponder einen physischen Schlüssel enthalten kann, der in
ein Schloss passt. Während
die Grundfunktion einer derartigen Vorrichtung die eines zuverlässigen Schlüssels ist,
können
andere Merkmale hinzugefügt
sein. Unter den Merkmalen, die auf den andauernden Bedarf an Komfort
reagieren, befindet sich z. B. eine Fernsteuerungsfunktionalität. Die Fernsteuerung
umfasst im Allgemeinen einen HF-Sender/Empfänger, der von einer Batterie angetrieben
werden muss. Ungeachtet ihrer zunehmenden Komplexität sind diese
Systeme Massenprodukte, wobei es wesentlich ist, die Systemkosten so
niedrig wie möglich
zu halten. Eine beträchtliche Verringerung
der Gesamtsystemkosten wird erreicht, indem mehrere Funktionen in
einer einzigen Schaltung kombiniert werden und die Betriebsmittel,
wie z. B. eine Steuereinheit, Verschlüsselungsschaltungen oder Speicher,
gemeinsam benutzt werden, was eine Verringerung der Chip-Größe erlaubt.
Die gemeinsam benutzten Schaltungsabschnitte müssen jedoch ungeachtet dessen,
ob eine Versorgung von der induktiven Schnittstelle oder von einer
Batterie verfügbar
ist, gespeist werden. Weil jede Energieversorgung eine Spannung
zwischen null und einer maximalen Spannung von z. B. bis zu 8 Volt
besitzen kann, ist ein intelligentes Energiemanagement erforderlich.
Das Energiemanagement sollte die beste Verwendung von der Energie
machen, die über
die induktive Schnittstelle empfangen wird, um die Lebensdauer der
Batterie zu bewahren. Außerdem
sollte die über
die für
die Grundfunktionalität
erforderliche Energie hinaus über
die induktive Schnittstelle empfangene Energie verfügbar gemacht
werden, um die Batterie zu laden (falls eine wiederaufladbare Batterie
verwendet wird). Außerdem
müssen
Konflikte zwischen den Energieversorgungen vermieden werden.
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In
dieser Hinsicht schaffen das
US-Patent 6.275.681 und
die Patentanmeldung 2003/019942 ein System mit der Auswahl zwischen
Versorgungsquellen.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung, wie sie in den Ansprüchen dargelegt
ist.
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In
den bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung erlaubt die Energiemanagement-Schaltung, dass spezielle
Schaltungsabschnitte, wie z. B. die analogen Schaltungen der Wegfahrsperre,
unabhängig
von der Batterieversorgung von der induktiv gekoppelten Schaltung
gespeist werden. Andere digitale und gemeinsam benutzte Schaltungsabschnitte
können
durch Spannungsregler in der Nähe
des minimalen erforderlichen Spannungspegels gespeist werden, um
den Stromverbrauch zu verringern. Die digitalen und gemeinsam benutzten
Schaltungsabschnitte können
in Reaktion auf die Ergebnisse eines Spannungsvergleichs alternativ
von der induktiven Schnittstelle gespeist werden, auch im Fall einer
leeren Batterie, oder von der Batterieversorgung. Falls beide Versorgungen
verfügbar
sind, wird der Versorgung von der induktiven Schnittstelle der Vorzug
gegeben, um die Lebensdauer der Batterie zu bewahren.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
können
die Schaltungsabschnitte, die einen relativ hohen Stromverbrauch
besitzen, wie z. B. ein HF-Sender, von der induktiven Schnittstelle
gespeist werden. In diesem Fall wird ein Spannungsabfall unter das
Minimum, das für
den Betrieb der anderen wesentlichen Schaltungsabschnitte erforderlich
ist, durch Überwachung
des Spannungspegels und das Einfügen
eines Spannungsreglers vermieden.
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Wo
eine wiederaufladbare Batterie verwendet wird, erlaubt die bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung, dass die über
die induktive Schnittstelle empfangene Überschussenergie für den Zweck
des Ladens der Batterie verwendet wird. Es kann eine separate Steuereinheit
verwendet werden, um den Ladeprozess zu steuern, falls die Versorgungsspannung
für den
Betrieb der Steuereinheit ausreichend ist. Unter dem für den Betrieb
der Steuereinheit erforderlichen Spannungspegel schützt ein
Spannungsregler in Kombination mit einem Schalter die Energieversorgung
davor, durch eine leere Batterie stark belastet zu werden, wobei
dadurch ein Spannungsabfall unter den minimalen Pegel vermieden
wird, der für
den Betrieb der wesentlichen Schaltungsabschnitte erforderlich ist.
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Eine
weitere Option besteht darin, eine Reserveversorgung von der induktiven
Schnittstelle vorzusehen, um den Batterieaustausch zu erlauben.
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Weitere
Vorteile und Merkmale werden aus der folgenden ausführlichen
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme
auf die beigefügte
Zeichnung hervorgehen. In der Zeichnung:
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine Skizze, die eine typische Umgebung für eine Vorrichtung veranschaulicht,
die die Energiemanagement-Schaltung der Erfindung enthält;
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2 ist
ein Blockschaltplan der Energiemanagement-Schaltung;
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3 ist
ein Stromlaufplan einer Spannungserfassungsschaltung;
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4 ist
ein Stromlaufplan einer kombinierten Schwellenwertschaltung und
eines Spannungsreglers; und
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5 ist
ein Ablaufplan, der einen Batterieladeprozess veranschaulicht.
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In 1 stellt
die Skizze schematisch ein Sicherheitssystem hinter dem Armaturenbrett 10 eines Fahrzeugs
dar, in dem ein Sperrschloss-Zylinder 12 angebracht ist.
Eine Luftspule 14 umgibt den Sperrschloss-Zylinder 12.
Eine tragbare Vorrichtung 16, d. h. ein physischer Schlüssel, der
in den Sperrschloss-Zylinder 12 passt, ist mit einer elektronischen
Identifikationsvorrichtung 18 ausgerüstet. Ein HF-Sender/Empfänger 20 ist
mit der Luftspule 14 verbunden. Der HF-Sender/Empfänger 20 ist
mit einer Steuereinheit 22 verbunden, die außerdem mit
einer Fahrzeug-Wegfahrsperre 24 verbunden ist.
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Die
elektronische Identifikationsvorrichtung 18 enthält einen
Transponder, der mit dem Sender/Empfänger 20 zusammenarbeitet.
Spezifisch ist der Transponder in der Vorrichtung 18 mittels
einer internen Antennenspule 18a mit der Luft spule 14 induktiv
gekoppelt. Im Betrieb steuert der HF-Sender/Empfänger 20 unter der
Steuerung der Steuereinheit 22 die Luftspule 14 mit
HF-Abfragesignalen an. Die Abfragesignale befördern sowohl Daten als auch
elektromagnetische Energie und werden durch die interne Antennenspule 18a in
der Vorrichtung 18 empfangen. Weil die Vorrichtung 18 mit
dem im Fahrzeug installierten Sicherheitssystem induktiv gekoppelt
ist, kann sie batterielos sein.
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Bis
jetzt ist das in 1 dargestellte System herkömmlich;
es kann in modernen Fahrzeugen gefunden werden.
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Anspruchsvollere
Systeme erfordern, dass die tragbare Vorrichtung 16 Komfortfunktionen
unterstützt,
wie z. B. die Fernsteuerung und den schlüssellosen Ferneintritt. Diese
Funktionen umfassen notwendigerweise einen HF-Sender, der von einer
Batterie gespeist werden muss. Um die Lebensdauer der Batterie zu
bewahren, ist ein intelligentes Energiemanagement erforderlich.
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Wenn
eine wiederaufladbare Batterie für
die tragbare Vorrichtung 16 verwendet wird, kann das stationäre Sicherheitssystem
hinter dem Armaturenbrett 10 als eine Ladestation arbeiten.
Es kann von der tragbaren Vorrichtung 16 Batteriezustand-Angabesignale
empfangen und in Reaktion einen Batterieladeprozess beginnen.
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In 2 besitzt
eine Energiemanagement-Schaltung 30 für die Verwendung in einer elektronischen
Identifikationsvorrichtung 18 nach 1 eine induktive
Schnittstelle, die durch einen Parallelresonanzkreis gebildet ist,
der eine Induktivität
LR (die durch die Antennenspule 18 verwirklicht ist) und einen
Kondensator CR enthält.
Ein Speicherkondensator CL ist zwischen einen Masseanschluss GND und
einen der Knoten, der als ein Anschluss VCL bezeichnet wird, des
Parallelresonanzkreises geschaltet, der LR und CR enthält. Der
andere Knoten, der als der Anschluss RF1 bezeichnet wird, des Parallelresonanzkreises,
der LR und CR enthält,
ist mit der Katode einer Gleichrichterdiode D verbunden, deren Anode
mit dem Masseanschluss GND verbunden ist.
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Die
Diode kann eine Substratdiode sein, falls die Energiemanagement-Schaltung 30 nach 2 in einer
CMOS-Technologie implementiert ist.
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Die
Diode D und der Speicherkondensator CL bilden eine Gleichrichterschaltung.
Vorausgesetzt, dass im Betrieb die Antennenspule 18a induktiv mit
der Luftspule 14 gekoppelt ist und dass die Letztere durch
geeignete Signale angesteuert wird, bildet der Anschluss VCL einen
ersten Energieversorgungs-Anschluss, der auf den Masseanschluss
GND bezogen ist. In praktischen Implementierungen kann der Spannungspegel
des Anschlusses VCL zwischen null und einem Maximum von weniger
als 8 Volt variieren. Demgemäß ist durch
eine induktiv gekoppelte Schaltung eine erste Energieversorgung gebildet.
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Eine
zweite Energieversorgung ist durch eine wiederaufladbare Batterie
BAT gebildet, die zwischen den Masseanschluss GND und den Anschluss VBAT
der Schaltung 30 geschaltet ist. Ein Pufferkondensator
CBAT kann über
die Batterie BAT geschaltet sein.
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Die
Energiemanagement-Schaltung 30 besitzt wenigstens drei
verschiedene Versorgungsausgänge.
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Ein
erster Versorgungsausgang wird direkt vom Anschluss VCL genommen.
In der spezifischen Ausführungsform
ist dies eine Versorgung für
die analogen Schaltungen der Fahrzeug-Wegfahrsperre.
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Eine
zweite Versorgung an einem als VCCPCU bezeichneten Anschluss wird
wahlweise entweder vom Anschluss VCL oder vom Anschluss VBAT genommen.
In beiden Fällen
sind ein Spannungsregler und ein Schalter eingefügt, wie ausführlicher
offenbart wird. In der offenbarten besonderen Ausführungsform
ist die zweite Versorgung eine Versorgung für die gemeinsam benutzten digitalen
Schaltungen.
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Ob
die Versorgung am Anschluss VCCPCU vom Anschluss VCL oder vom Anschluss
VBAT genommen wird, wird durch eine Spannungserfassungsschaltung 32 entschieden,
von der ein Eingang mit dem Anschluss VCL verbunden ist und ein
Eingang mit dem Anschluss VBAT verbunden ist. Die Spannungserfassungsschaltung 32 besitzt
außerdem
zwei Steuerausgänge,
jeder zum Steuern eines der zwei Schalter SW1 und SW2 in den Versorgungswegen
von den Anschlüssen
VCL bzw. VBAT. Der Versorgungsweg vom Anschluss VCL enthält einen Spannungsregler 34,
der mit dem Schalter SW1 in Reihe geschaltet ist. Der Versorgungsweg
vom Anschluss VBAT enthält
einen Spannungsregler 36, der mit dem Schalter SW2 in Reihe
geschaltet ist.
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Ein
dritter Versorgungsausgang am Anschluss VBATI wird außerdem vom
Anschluss VCL genommen, aber über
eine Schwellenwertschaltung 38 und einen Spannungsregler 40,
wie ausführlicher offenbart
wird. In der hier betrachteten besonderen Ausführungsform ist die dritte Versorgung
für eine Fern-Steuereinheit
für den
schlüssellosen
Zugang.
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Eine
vierte Versorgung, z. B. für
einen Sender eines Fernsteuerungssystems, kann direkt vom Anschluss
VBAT genommen werden, obwohl sie in 2 nicht
gezeigt ist.
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Unter
Bezugnahme auf 3 wird die Spannungserfassungsschaltung 32 ausführlicher
offenbart. Die Spannungserfassungsschaltung in 3 besitzt
eine erste Versorgung vom Anschluss VCL und eine zweite Versorgung
vom Anschluss VBAT, die beide auf den gemeinsamen Masseanschluss GND
bezogen sind. Ein Widerstand R1 ist mit einer Zener-Diode ZD1 zwischen
VCL und GND in Reihe geschaltet. Der gemeinsame Knoten zwischen
R1 und ZD1 ist mit dem Gate eines PMOS-Transistors MP1 verbunden,
dessen Source mit VCL verbunden ist und dessen Drain über eine
Stromquelle mit GND verbunden ist. Der Drain des MP1 steuert das
Gate eines NMOS-Transistors MN1 an, dessen Source mit GND verbunden
ist und dessen Drain über
eine Stromquelle mit VBAT verbunden ist. Der Drain des MN1 steuert
das Gate eines weiteren NMOS-Transistors
MN2 an, dessen Source mit GND verbunden ist und dessen Drain über eine
Stromquelle mit VCL verbunden ist.
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Ein
erster Puffer B1 wird durch den Drain des MN2 angesteuert und vom
VCL gespeist. Ein zweiter Puffer B2 wird durch den Drain des MN1
angesteuert und vom VBAT gespeist. Der Puffer B1 besitzt einen Ausgang
am Anschluss YESVCL, während
der Puffer B2 einen Ausgang am Anschluss NOVCL besitzt. Eine Signalspeicherschaltung
L, die eine Pegelschiebeeinrichtung enthält, besitzt einen Freigabeeingang, der
mit dem Anschluss YESVCL verbunden ist, und einen Rücksetzeingang,
der mit dem Anschluss NOVCL verbunden ist. Der Ausgang Q der Signalspeicherschaltung
L betreibt den Schalter SW1, während
der invertierte Ausgang nQ den Schalter SW2 betreibt.
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Im
Betrieb bleibt MP1 blockiert, bis die Zener-Spannung an der ZD1
erreicht ist. Die Zener-Spannung der ZD1 ist so ausgewählt, dass
sie dem minimalen erforderlichen Spannungspegel für den richtigen
Betrieb der Logikschaltungsanordnung entspricht, deren Speisung
vom VCL vorgesehen ist.
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Wenn
der MP1 blockiert ist (OFF), ist der MN1 außerdem blockiert, während der
MN2 leitend ist (ON). Folglich befindet sich der Anschluss YESVCL
auf einen Pegel in der Nähe
von GND, während sich
der Anschluss NOVCL auf einen Pegel VBAT befindet, falls VBAT vorhanden
ist. In diesem Zustand wird die Batterie nicht geladen. Der Ausgang nQ
der Signalspeicherschaltung L ist hoch, der Schalter SW2 ist geschlossen;
der Ausgang Q ist tief und der Schalter SW1 ist offen.
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Wenn
der MP1 leitend ist (ON), ist der MN1 außerdem leitend, während der
MN2 blockiert ist (OFF). Folglich befindet sich der Anschluss YESVCL auf
einen Pegel in der Nähe
von VCL, während
sich der Anschluss NOVCL auf einen Pegel in der Nähe von GND
befindet. Der Ausgang Q der Signalspeicherschaltung L ist hoch,
der Schalter SW1 ist geschlossen; der Ausgang nQ ist tief und der
Schalter SW2 ist offen. Hier wird die Batterie nur mit einem Einheitsstrom
(typischerweise 100 nA) geladen. Dies ist nicht permanent, weil
dieser Zustand nur existiert, falls die VCL von einem HF-Feld abgeleitet
wird.
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Die
Spannungserfassungsschaltung, wie sie offenbart ist, besitzt mehrere
wichtige Aspekte.
- Erstens spricht sie das Problem
einer zuverlässigen
Existenzprüfung
für beide
Versorgungen (VCL und VBAT) an. Die Spannungserfassungsschaltung
kann keine zuverlässige
Ausgabe bereitstellen, wenn sie keine Versorgung für sich selbst
besitzt.
- Zweitens arbeitet die alternative Verbindung irgendeiner der
zwei Versorgungen ohne irgendeinen Spannungsabfall.
- Drittens sind zwei oben-aktive Signale verfügbar, um das Vorhandensein
und das Nichtvorhandensein der VCL anzugeben (Bemerkung: ein unten-aktives
Signal ist von einer fehlenden Versorgung nicht unterscheidbar).
- Viertens: Das Signal, das das Nichtvorhandensein der VCL angibt,
(NOVCL), wird von der VBAT angesteuert. Folglich wird ein schwaches VCL
unabhängig von
der VCL nur mit der VBAT angegeben. Folglich ist der SW2 nur geschlossen,
wenn die VBAT vorhanden ist.
- Fünftens:
Das Signal, das das Vorhandensein der VCL angibt, (YESVCL), wird
von der VCL selbst abgeleitet. Dies bedeutet, dass der SW1 sogar ohne
das Vorhandensein der VBAT geschlossen ist.
- Sechstens: Wenn beide Versorgungen (VCL und VBAT) vorhanden
sind, ist die VCL die vorherrschende Versorgung, um die Lebensdauer
der Batterie zu bewahren.
- Siebentens: In der Bereitschaftsbetriebsart tritt kein Batterieverbrauch
auf, d. h., wenn die VCL nicht vorhanden ist. Dies sichert die Batterielebensdauer über Jahre.
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Die
Spannungsregler 34 und 36 (2) stellen
sicher, dass der angeschlossene Anwender am Anschluss VCCPCU auf
dem minimalen erforderlichen Spannungspegel für den richtigen Betrieb gespeist
wird, um den Gesamtstromverbrauch zu verringern.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
der Energiemanagement-Schaltung enthält ein Batterielademerkmal
und ein Batteriereservemerkmal für
den Batterieaustausch.
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In 4 enthält die Schwellenwertschaltung 38,
die in 2 auch als ein Vorregler bezeichnet ist, eine
Reihenschaltung eines Widerstands R2, einer Zener-Diode ZD2 und eines
NMOS-Transistors MN3 zwischen VCL und GND. Der Knoten zwischen dem Widerstand
R2 und der Zener-Diode ZD2 ist mit dem Gate eines Verbindungstransistors
PCH1 verbunden, dessen Source mit der VCL verbunden ist und dessen
Drain mit einem Eingang VCC_IN des Spannungsreglers 40 verbunden
ist. Eine Freigabeeingabe ist vom Ausgang eines ODER-Gatters (2), das
die Eingänge
ENVBUP und ENCHRG besitzt, an das Gate des Transistors MN3 und an
den Spannungsregler 40 angelegt.
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Im
Betrieb bleibt der Verbindungstransistor PCH1 blockiert, bis die
VCL die Zener-Spannung der Diode ZD2 erreicht und ein Freigabesignal
empfangen wird. Bei einem ausreichenden Spannungspegel der VCL empfängt der
Spannungsregler 40 eine Versorgung am Eingang VCL_IN und
stellt eine geregelte Ausgabe V_Regulated bereit, falls eine Freigabeeingabe
empfangen wird. Es sollte selbstverständlich sein, dass die Ausgabe
V_Regulated zur Versorgungsausgabe VBATI in 2 äquivalent
ist. Dies verhindert unabhängig
von den Lasten am VBATI, dass die VCL unter einen ausreichenden
Spannungspegel fällt.
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In 2 ist
ein Schalter SW3 vorgesehen, um in Reaktion auf einen (von einer
Ladestation ausgegebenen, siehe 1) Batterieladebefehl
den Versorgungsanschluss VBATI mit dem Anschluss VBAT zu verbinden.
Der Schalter SW3 wird durch eine Ausgabe einer Gatter-Schaltung
gesteuert, die die Eingabe ENCHRG und die invertierte Eingabe ENVBUP, d.
h. NENVBUP, empfängt.
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Die
Anschlüsse
VBAT und VBATI können
mit den Pufferkondensatoren CBAT bzw. CBATI versehen sein, wie in 2 zu
sehen ist.
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Ein
weiteres aus 2 offensichtliches Merkmal ist
ein Schalter SW5, der in Reaktion auf einen Befehl VBATON die Anschlüsse VCL
und VBAT miteinander verbindet.
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In 5 wird
ein Batterieladeprozess im Schritt 100 begonnen. Falls
im Schritt 102 eine Identifikationsvorrichtung 18 erfasst
wird, schaltet die Ladestation (1) ihren
LF-Sender im Schritt 104 ein, um die Luftspule 14 anzusteuern.
Im Schritt 106 wird ein Batterieladebefehl gesendet. Im
Schritt 108 wird das Laden freigegeben. Im Schritt 110 sendet
die Ladestation Ladeinformationen an die Lade-Steuereinheit in der
Vorrichtung 18. Falls die Lade-Steuereinheit im Schritt 112 bestimmt,
dass die Ladeinformationen geliefert und empfangen worden sind,
wird im Schritt 114 in eine Batterieladeschleife eingetreten. Im
Schritt 114 misst die Lade-Steuereinheit die Batteriespannung
VBAT. Solange wie sich die Batteriespannung unter dem Nennmaximum
befindet, wie im Schritt 116 bestimmt wird, wird der Ladeprozess
mit dem Warteschritt 118 fortgesetzt. Andernfalls wird
im Schritt 120 die Ladeschleife verlassen, wobei das Laden
gesperrt ist.
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Falls
im Schritt 112 bestimmt wird, dass keine Ladeinformationen
empfangen worden sind, oder falls der Schritt 120 mit gesperrtem
Laden zurückkehrt,
fährt der
Schritt 122 mit einer mehrminütigen Warteperiode für die Ladestation
fort. Danach wird im Schritt 124 der LF-Sender in der Ladestation
ausgeschaltet. Dann wird im Schritt 126 ein "Sperre-das-Laden"-Befehl ausgegeben,
wobei die Schleife zum Schritt 102 zurückkehrt.