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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeicheranordnung und eine Energiespeicheranordnung.
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In modernen Kraftfahrzeugen sind die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit eines Energiespeichers besonders hoch. Insbesondere in einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug mit vorwiegend elektrischen Antrieben spielen die Energiespeicher eine wichtige Rolle. Hier werden typischerweise Hochvolt-Energiespeicher eingesetzt, die ausgebildet sind, Spannungen bis beispielsweise 400 V elektrischen Verbrauchern, so z. B. elektrischen Maschinen, zur Verfügung zustellen.
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DE 103 05 058 B3 offenbart eine Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz, bei dem ein DC/DC-Wandler abhängig von einem Ladezustand einer Batterie und eines Energiespeichers derart angesteuert wird, dass vorhandene Rekuperationsenergie im Energiespeicher gespeichert wird, eine Antriebsunterstützung durch Energie aus dem Energiespeicher erfolgt, sobald dieser geladen ist, und bis dahin aus der Batterie, für einen Schnellstart Energie aus dem Energiespeicher genützt wird, die Batterie entsprechend ihrem Ladezustand bedarfsgerecht geladen wird und nach einer Rekuperation ein Bordnetz über die Batterie gespeist wird.
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In
DE 198 46 319 C1 ist eine Energieversorgungsschaltung für ein Kraftfahrzeugbordnetz offenbart, bei der ein erster Spannungsversorgungszweig über einen elektrischen Gleichspannungswandler von einem zweiten Spannungsversorgungszweig und der zweite Spannungsversorgungszweig von einem Generator speisbar ist. Dabei wird ein Ein/Ausgang eines Mehrfachwandlers mit dem zweiten Spannungsversorgungszweig, dessen anderer Ein/Ausgang mit dem ersten Spannungsversorgungszweig und dessen dritter Ein/Ausgang mit einem Energiespeicher verbunden, der dem ersten Spannungsversorgungszweig zugeordnet ist.
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Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist, ein Verfahren zum Betreiben einer Energiespeicheranordnung und eine Energiespeicheranordnung zu schaffen, das bzw. die eine schnelle Ladung eines Energiespeichers ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem ersten Aspekt aus durch eine Energiespeicheranordnung umfassend einen Ladespeicher und einen Energiespeicher, der eine größere Kapazität aufweist als der Ladespeicher. Die Energiespeicheranordnung weist ferner ein Schaltelement auf, das derart mit dem Ladespeicher und dem Energiespeicher elektrisch gekoppelt ist, dass in einem eingeschalteten Schaltzustand des Schaltelementes der Ladespeicher und der Energiespeicher elektrisch parallel gekoppelt sind. In einem ausgeschalteten Schaltzustand des Schaltelementes sind der Ladespeicher und der Energiespeicher elektrisch entkoppelt. Dies ermöglicht eine schnelle Ladung des Ladespeichers zumindest bei ausgeschaltetem Schaltzustand des Schaltelementes. Ist der Ladespeicher geladen, kann dieser wiederum mittels des Schaltelementes mit dem Energiespeicher elektrisch gekoppelt werden und diesen laden. Dies ermöglicht eine besonders schnelle Ladung des Energiespeichers.
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Der Energiespeicher ist vorzugsweise als kapazitiver Energiespeicher ausgebildet. Dabei kann er auch ein oder mehrere kapazitive Energiespeichermodule umfassen, so z. B. Doppelschichtkondensatoren, die beispielsweise elektrisch in Reihe geschaltet sind. Der Ladespeicher ist vorzugsweise als kapazitiver Ladespeicher, so z. B. als Ladekondensator, ausgebildet. Auch er kann mehrere kapazitive Speichermodule umfassen, wobei jedes Speichermodul eine geringere Kapazität aufweist als ein Energiespeichermodul. Vorzugsweise korreliert eine Anzahl der Speichermodule mit einer Anzahl der Energiespeichermodule, um dadurch eine gleiche Spannungsauslegung beider Speicher zu ermöglichen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des ersten Aspekts ist der Ladespeicher mit einem Spannungswandler elektrisch gekoppelt, der ausgebildet ist, einen Ausgangsstrom, der dem Ladespeicher zuführbar ist, auf einen vorgegebenen Stromgrenzwert zu begrenzen. Der Stromgrenzwert ist abhängig von einer vorgegebenen Ladespannung, die mittels des Spannungswandlers dem Ladespeicher bereitgestellt wird. Dies ermöglicht eine schnelle und effiziente Ladung des Energiespeichers mittels eines Spannungswandlers.
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Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem zweiten und dritten Aspekt aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben einer Energiespeicheranordnung gemäß dem ersten Aspekt, bei dem in einem Ladevorgang des Ladespeichers das Schaltelement in den ausgeschalteten Schaltzustand gesteuert wird. Danach wird in dem Ladevorgang der Ladespeicher mit einer vorgegebenen Ladespannung beaufschlagt und dadurch geladen, bis zumindest ein Kennwert des Ladespeichers einen zugeordneten vorgegebenen Ladespeicherschwellenwert erreicht hat. In einem Entladevorgang des Ladespeichers wird das Schaltelement in den eingeschalteten Schaltzustand gesteuert bis der zumindest eine Kennwert des Ladespeichers einen weiteren zugeordneten vorgegebenen Ladespeicherschwellenwert erreicht hat.
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Dies ermöglicht eine besonders effiziente Nutzung einer Spannungsquelle, insbesondere mit dem Spannungswandler, zum schnellen Laden des Energiespeichers. Dabei kann eine Nennleistung der Spannungsquelle zeitnah zu einem Ladebeginn des Ladespeichers bereitgestellt und der Energiespeicher in deutlich kürzerer Zeit geladen werden. Eine Energie des Energiespeichers steht somit einem elektrischen Verbraucher, so z. B. einer elektrischen Maschine, schneller zur Verfügung. Ein Spannungshub kann erweitert werden, weil eine Wiederaufladung des Energiespeichers in kürzerer Zeit erfolgen kann. Eine derartige Energiespeicheranordnung kann beispielsweise in einem Antriebsstrang eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs oder auch in einem Lenksystem eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden.
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Eine Leistung der speisenden Spannungsquelle kann optimal genutzt werden und ermöglicht einen Betrieb mit hoher Ladeleistung. Betriebszustände, in welchen die Spannungsquelle, insbesondere der Spannungswandler, im Strombegrenzungsbetrieb arbeitet, werden reduziert. Eine Nennleistung der Spannungsquelle muss nicht auf die maximale Leistung des Energiespeichers ausgelegt sein. Für einen effizienten Betrieb ist es wichtig, die zur Verfügung stehende Leistung der Spannungsquelle optimal für den Ladevorgang des Energiespeichers zu nutzen. Ein hoher Nutzungsgrad dieser Leistung ermöglicht es, die Spannungsquelle leistungsreduzierter auszulegen und damit Gewichts-, Verbrauchs- und Kostenvorteile zu erzielen, ohne die Leistung eines Systems mit der Energiespeicheranordnung negativ zu beeinflussen. Ferner könnte durch eine höhere Spannungsauslegung des Ladespeichers die Energiemenge je Umladezyklus zusätzlich gesteigert werden. Auch kann eine Verfügbarkeit des Systems erhöht werden.
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Der zumindest eine Kennwert des Ladespeichers ist vorzugsweise eine Spannung des Ladespeichers. Der Kennwert repräsentiert vorzugsweise einen aktuellen Ladezustand des Ladespeichers. Der weitere zugeordnete vorgegebene Ladespeicherschwellenwert ist vorzugsweise ein aktueller Wert einer Spannung des Energiespeichers. Der Ladespeicherschwellenwert ist vorzugsweise größer als der weitere Ladespeicherschwellenwert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung des zweiten und dritten Aspekts, wird der Lade- und Entladevorgang des Ladespeichers so lange wiederholt gesteuert, bis ein Kennwert des Energiespeichers einen vorgegebenen Energiespeicherschwellenwert erreicht hat. Dies ermöglicht eine besonders schnelle und effiziente Ladung des Energiespeichers. Der Kennwert des Energiespeichers ist vorzugsweise die Spannung des Energiespeichers. Der Kennwert repräsentiert vorzugsweise einen aktuellen Ladezustand des Energiespeichers. Der Energiespeicherschwellenwert kann dabei beispielsweise derart vorgegeben sein, dass nach dem Erreichen des Energiespeicherschwellenwertes der Energiespeicher vollständig geladen ist. Alternativ kann der Energiespeicherschwellenwert auch derart vorgegeben sein, dass nach dem Erreichen des Energiespeicherschwellenwertes für ein weiteres Laden des Energiespeichers die Spannungsquelle nicht mehr in der Strombegrenzung betrieben wird, sondern ihre Nennleistung ausgangsseitig zur Verfügung zum Laden stellen kann.
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Zum Laden des Ladespeichers ist die Ladespannung vorzugsweise größer als die aktuelle Ladespeicherspannung.
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Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem vierten Aspekt aus durch eine Energiespeicheranordnung umfassend zumindest zwei Ladespeicher und einen Energiespeicher, der eine größere Kapazität aufweist als der jeweilige Ladespeicher. Die Energiespeicheranordnung weist ferner zumindest zwei Schaltelemente auf. Das jeweilige Schaltelement ist jeweils einem der zumindest zwei Ladespeicher zugeordnet. Ferner ist das jeweilige Schaltelement derart mit dem zugeordneten Ladespeicher und dem Energiespeicher elektrisch gekoppelt, dass in einem eingeschalteten Schaltzustand des jeweiligen Schaltelementes der zugeordnete Ladespeicher und der Energiespeicher elektrisch parallel geschaltet sind. In einem ausgeschalteten Schaltzustand des jeweiligen Schaltelementes sind der zugeordnete Ladespeicher und der Energiespeicher elektrisch entkoppelt.
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Die vorteilhaften Ausgestaltungen der Energiespeicheranordnung gemäß dem ersten Aspekt können auch als vorteilhafte Ausgestaltungen der Energiespeicheranordnung des vierten Aspekts angewendet werden.
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Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem fünften und sechsten Aspekt aus durch ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Betreiben der Energiespeicheranordnung gemäß dem vierten Aspekt, bei dem in einem Ladevorgang des jeweiligen Ladespeichers das zugeordnete Schaltelement in den ausgeschalteten Schaltzustand gesteuert wird. Danach wird der jeweilige Ladespeicher mit einer vorgegebenen Ladespannung beaufschlagt und dadurch geladen, bis zumindest ein Kennwert des jeweiligen Ladespeichers einen zugeordneten vorgegebenen Ladespeicherschwellenwert erreicht hat. In einem Entladevorgang des jeweiligen Ladespeichers wird das zugeordnete Schaltelement in den eingeschalteten Schaltzustand gesteuert, bis der zumindest eine Kennwert des jeweiligen Ladespeichers einen weiteren zugeordneten vorgegebenen Ladespeicherschwellenwert erreicht hat. Durch die Verwendung von mehr als einem Ladespeicher, kann der Energiespeicher noch schneller geladen werden. Dabei werden die jeweiligen Lade- bzw. Entladevorgänge der Ladespeicher vorzugsweise abwechselnd zueinander gesteuert.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Energiespeicheranordnung,
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2a–2c zeitliche Verläufe der Energie und Spannung,
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3 ein weiterer zeitlicher Verlauf der Energie,
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4a ein zeitlicher Stromverlauf,
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4b ein weiterer zeitlicher Spannungsverlauf,
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5 ein Ablaufdiagramm,
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6 ein Verlauf eines Stroms und einer Leistung über einer Ausgangsspannung eines Spannungswandlers.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine beispielhafte Anordnung einzelner Komponenten eines elektrischen Antriebsstranges eines Kraftfahrzeugs, beispielsweise eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, dargestellt. Die Anordnung umfasst eine Energiespeicherordnung ES, die einen ersten Ladespeicher CC1 und einen Energiespeicher SC aufweist.
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Der Energiespeicher SC umfasst beispielsweise mehrere Energiespeichermodule, so z. B. Doppelschichtkondensatoren. Doppelschichtkondensatoren werden wegen ihrer hohen Kapazitätswerte als Pufferspeicher vorzugsweise für elektrische Antriebe in Hybrid- oder Elektrofahrzeugen verwendet. Ihr Vorteil liegt in der Eigenschaft, elektrische Energie sehr schnell, mit hoher Leistung und hohem Wirkungsgrad zur Verfügung zu stellen. Die speicherbare Energie W ist der Spannung U quadratisch, und der Kapazität C direkt proportional.
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Da die einzelnen Doppelschichtkondensatoren eine vorgegebene Betriebsspannung, so z. B. 2,7 V, nicht überschreiten dürfen, schaltet man bis zum Erreichen einer vorgegebenen Spannung eine vorgegebene Anzahl von Kondensatoren elektrisch in Reihe. So können beispielsweise 148 Energiespeichermodule mit einer jeweiligen Kapazität von 2000 F elektrisch in Reihe geschaltet werden, um eine Spannung von beispielsweise 400 V zu erreichen. Eine Gesamtkapazität dieser Anordnung von Doppelschichtkondensatoren beträgt dann in etwa 13,5 F und weist beispielsweise einen Ersatzserienwiderstand ESW von 0,044 Ohm auf.
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Der erste Ladespeicher CC1 umfasst beispielsweise mehrere Ladespeichermodule, wobei die Anzahl der Ladespeichermodule vorzugsweise korreliert mit einer Anzahl der Energiespeichermodule. Der erste Ladespeicher CC1 weist beispielsweise eine Gesamtkapazität von 0,1 F auf und ist mittels eines ersten Schaltelementes SW1 mit dem Energiespeicher SC elektrisch parallel koppelbar.
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Die Anordnung in 1 weist ferner eine Spannungsquelle SS auf mit beispielsweise einem Generator GEN, so z. B. eine Brennstoffzelle, und einem Spannungswandler DCDC, so z. B. einen Gleichspannungswandler. Der Generator GEN ist ausgebildet, dem Spannungswandler DCDC eine Generatorspannung von beispielsweise 35 V bis 40 V und eine Nennleistung von beispielsweise 10 kW bereitzustellen. Der Spannungswandler DCDC ist ausgebildet, dem ersten Ladespeicher CC1 eine Quellenspannung U_GEN bereitzustellen, so z. B. 0 V bis 400 V. Die Quellenspannung U_GEN kann auch als Ladespannung des jeweiligen Ladespeichers bezeichnet werden.
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Des Weiteren umfasst die Anordnung in 1 einen weiteren Spannungswandler DCAC, so z. B. einen Wechselrichter, und eine elektrische Maschine EM.
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Der Energiespeicher SC ist ausgangsseitig mit dem weiteren Spannungswandler DCAC elektrisch gekoppelt und dieser wiederum mit der elektrischen Maschine EM. Der Energiespeicher SC kann durch den ersten Ladespeicher CC1 elektrisch aufgeladen werden. Die elektrische Maschine EM weist eine Nennleistung von beispielsweise 40 kW und eine Maximalleistung von beispielsweise 80 kW auf und kann vorzugsweise entweder in einem motorischen oder in einem generatorischen Betrieb betrieben werden.
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Der weitere Spannungswandler DCAC kann beispielsweise bidirektional betrieben werden. Wird die elektrische Maschine EM beispielsweise motorisch betrieben, stellt der Energiespeicher SC dem weiteren Spannungswandler DCAC eine vorgegebene Spannung des Energiespeichers U zur Verfügung, die mittels des weiteren Spannungswandlers DCAC beispielsweise in eine Wechselspannung Uac gewandelt und der elektrischen Maschine EM bereitgestellt wird. Wird dagegen die elektrische Maschine EM generatorisch betrieben, so z. B. während eines Schubbetriebs oder einer Rekuperationsbremsung des Kraftfahrzeugs, so wird die von der elektrischen Maschine EM bereitgestellte Wechselspannung Uac mittels des weiteren Spannungswandlers DCAC vorzugsweise in eine Gleichspannung gewandelt und dem ersten Ladespeicher CC1 bereitgestellt, um diese laden zu können. Im generatorischen Betrieb können der weitere Spannungswandler DCAC und die elektrische Maschine EM auch als Spannungsquelle bezeichnet werden, die ausgebildet ist, dem ersten Ladespeicher CC1 die Quellenspannung U_GEN bereitstellen zu können.
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Die Leistung des Generators GEN muss nicht zwingend der Leistung der elektrischen Maschine EM entsprechen. Durch die Verwendung von großen kapazitiven Speichern wie dem Energiespeicher SC kann über einen vorgegebenen Zeitraum genügend Leistung für die elektrische Maschine EM aus dem Energiespeicher SC bereit gestellt werden, so z. B. für die Dauer eines Beschleunigungsvorgangs des Kraftfahrzeugs.
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Eine direkte Ladung des Energiespeichers SC, insbesondere mit einer großen Kapazität, ohne Ladespeicher kann sich als schwierig gestalten, weil der Energiespeicher zu einem Ladebeginn für die Spannungsquelle SS typischerweise einen Kurzschluss darstellt. Der Generator GEN bzw. der Spannungswandler DCDC würden unzulässig überlastet.
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Anhand eines Beispiels soll dies verdeutlicht werden. Bei einer Quellenspannung U_GEN von beispielsweise 50 V an dem Energiespeicher SC und einem vorgegebenen Ersatzserienwiderstand ESR des Energiespeichers SC von beispielsweise 0,044 Ohm, ist unter Anwendung des Ohmschen Gesetzes ein maximaler theoretischer Ladestrom IC von etwa 1100 A möglich. Berücksichtigt man Leitungswiderstände in Zuleitungen, so würde auch ein reduzierter Ladestrom IC von beispielsweise 500 A eine Ladeleistung PC des Spannungswandlers DCDC von 25 kW erfordern. Eine thermische Überlastung von Primär- und Sekundärwindungen sowie von Schaltgliedern des Spannungswandlers DCDC wären die Folgen. Für den Fall, dass eine Ladeleistung PC von 25 kW bei 50 V ohne Überlastung des Spannungswandlers DCDC zur Verfügung gestellt werden könnte, würde der Energiespeicher SC typischerweise überlastet und geschädigt werden, da der Energiespeicher SC bei der angenommenen Quellenspannung U_GEN von 50 V nur eine maximale Kondensatorleistung Pcap von 14 kW speichern könnte, d. h. 11 kW Verlustleistung müssten abgeführt werden. Die folgende Formel beschreibt den Zusammenhang zwischen maximaler Kondensatorleistung Pcap und dem Ersatzserienwiderstand ESR des Energiespeichers SC in Abhängigkeit von der Quellenspannung U_GEN.
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Das heißt, die maximale Leistungsaufnahme bzw. Leistungsabgabe des Energiespeichers SC ist nur von seinem Ersatzserienwiderstand ESR abhängig. Aus diesem Grund weist der Spannungswandler DCDC typischerweise eine spannungsabhängige Strombegrenzung auf (7), um eine Zerstörung zu verhindern. In 7 ist zu erkennen, dass beispielsweise bei einer Spannung von 50 V am Energiespeicher SC nur ein geringer Ladestrom IC und somit eine geringe Ladeleistung PC, so z. B. 0,45 kW, von dem Spannungswandler DCDC bereitgestellt wird. Erst ab einer Spannung von beispielsweise 250 V stellt der Spannungswandler DCDC seine Nennleistung zur Verfügung und kann den Energiespeicher SC mit einem hohen Ladestrom IC laden. Während der Spannungswandler DCDC in der Strombegrenzung betrieben wird, so z. B. bei einer Spannung von weniger als 250 V, arbeitet dieser in einem ungünstigen Wirkungsgradbereich und produziert einen hohen Anteil an Verlustleistung. Aufgrund der Strombegrenzung ist deshalb eine Ladedauer des Energiespeichers, insbesondere mit einer großen Kapazität, besonders langwierig.
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Erst die Verwendung des ersten Ladespeichers CC1 ermöglicht eine schnelle Ladung des Energiespeichers SC. Anhand eines Ablaufdiagramms in 5 wird ein Verfahren zum Betreiben der Energiespeicheranordnung ES erläutert. Das Verfahren wird beispielsweise als ein Programm von einer Steuereinheit des Kraftfahrzeugs abgearbeitet, um den Energiespeicher SC mittels des ersten Ladespeichers CC1 zu laden. Die Steuereinheit kann auch als Vorrichtung zum Betreiben der Energiespeicheranordnung ES bezeichnet werden.
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In einem Schritt S0 wird das Programm gestartet. In einem Schritt S10 wird das erste Schaltelement SW1 in einen ausgeschalteten Schaltzustand gesteuert und der Energiespeicher SC wird dadurch von der Spannungsquelle SS elektrisch entkoppelt. Dadurch wird in einem Schritt S12 der erste Ladespeicher CC1 mit der Quellenspannung U_GEN beaufschlagt und geladen.
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Der Energiespeicher SC weist vorzugsweise eine Kapazität auf, die mindestens um das zehnfache größer ist als die Kapazität des ersten Ladespeichers CC1. Typischerweise wird die Kapazität des ersten Ladespeichers CC1 derart vorgegeben, dass unter Berücksichtigung des Ladestroms IC und der aktuellen Spannung des Energiespeichers SC eine möglichst kurze Ladedauer erreicht wird, die dazu führt, dass der Spannungswandler DCDC zeitnah nach dem Ladebeginn mit seiner Nennleistung betrieben werden kann. So kann beispielsweise der erste Ladespeicher CC1 innerhalb von 2 s auf eine Spannung von 200 V geladen werden, wenn dieser eine Kapazität von etwa 0,1 F aufweist.
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Der erste Ladespeicher CC1 wird so lange geladen bis vorzugsweise die Spannung des Ladespeichers einen vorgegebenen Ladespeicherschwellenwert erreicht hat, so z. B. 350 V.
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Die Schritte S10, S12 repräsentieren somit einen Ladevorgang des ersten Ladespeichers CC1.
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In einem Schritt S14 wird das erste Schaltelement SW1 in einen eingeschalteten Schaltzustand gesteuert, wodurch der Energiespeicher SC vorzugsweise elektrisch parallel zu dem ersten Ladespeicher CC1 gekoppelt wird. Die elektrische Kopplung zwischen dem ersten Ladespeicher CC1 und der Spannungsquelle SS kann dabei weiterhin bestehen. Ist die Spannung des Ladespeichers größer als die Spannung des Energiespeichers SC, wird in einem Schritt S16 durch mittels des ersten Schaltelementes SW1 der Energiespeicher SC durch den ersten Ladespeicher CC1 geladen. Der eingeschaltete Schaltzustand des ersten Schaltelements SW1 wird so lange gesteuert, bis vorzugsweise die Spannung des Ladespeichers gleich der Spannung des Energiespeichers SC ist.
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Die Schritte S14, S16 repräsentieren somit einen Entladevorgang des ersten Ladespeichers CC1.
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Das Programm kann danach in dem Schritt S10 erneut ausgeführt werden. Vorzugsweise werden der Lade- und der Entladevorgang so lange wiederholt, bis die Spannung des Energiespeichers SC einen vorgegebenen Spannungsschwellenwert erreicht hat, so z. B. 350 V, und der Energiespeicher SC vollständig geladen ist. Der Spannungsschwellenwert kann auch als Energiespeicherschwellenwert bezeichnet werden. Erreicht die Spannung des Energiespeichers SC den vorgegebenen Spannungsschwellenwert, so wird das Programm in einem Schritt S3 beendet.
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Alternativ können der Lade- und der Entladevorgang so lange wiederholt werden, bis die Spannung des Energiespeichers SC einen Spannungsschwellenwert erreicht hat, ab welchem der Spannungswandler DCDC mit seiner Nennleistung betrieben werden kann.
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Da der erste Ladespeicher CC1 aufgrund seiner geringeren Kapazität deutlich schneller geladen werden kann als der Energiespeicher SC und somit deutlich schneller seine Nennspannung erreicht, kann der Ladevorgang mit entsprechend hohen Ladeströmen IC und somit hoher Ladeleistung PC erfolgen. Die Strombegrenzungsphase des Spannungswandlers DCDC wird also sehr schnell durchschritten.
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Wie in 1 gestrichelt dargestellt, kann die Energiespeicheranordnung ES ferner einen zweiten Ladespeicher CC2 und ein zweites Schaltelement SW2 aufweisen. Der zweite Ladespeicher CC2 ist vorzugsweise analog zu dem ersten Ladespeicher CC1 ausgebildet und mittels des zweiten Schaltelementes SW2 vorzugsweise elektrisch parallel zu dem Energiespeicher SC koppelbar.
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Das erste und zweite Schaltelement SW1, SW2 können beispielsweise als elektromechanische Schalter oder vorzugsweise als Halbleiterschalter, so z. B. als Thyristoren, ausgebildet sein. Ferner kann eine jeweilige Induktivität zwischen dem jeweiligen Schaltelement SW1, SW2 und dem Energiespeicher SC elektrisch gekoppelt angeordnet sein, die dazu dient, eine Stromanstiegsgeschwindigkeit bei einem Ladungsaustausch zwischen dem jeweiligen Ladespeicher CC1, CC2 und dem Energiespeicher SC zu begrenzen. Auch kann elektrisch parallel zu dem jeweiligen Schaltelement SW1, SW2 und dem Energiespeicher SC eine jeweilige Diode elektrisch gekoppelt angeordnet sein.
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Anhand des Ablaufdiagramms in 5 wird ein weiteres Verfahren zum Betreiben der Energiespeicheranordnung ES mit dem ersten und zweiten Ladespeicher CC1, CC2 erläutert. Auch dieses Verfahren kann als weiteres Programm von der Steuereinheit abgearbeitet werden.
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In dem Schritt S0 wird das weitere Programm gestartet. Die Schritte S10–S16 entsprechen den bereits beschriebenen Schritten. Zeitlich überlappend, vorzugsweise zeitlich parallel, zu dem Schritt S10 wird ein Schritt S20 ausgeführt, indem das zweite Schaltelement SW2 in einen eingeschalteten Schaltzustand gesteuert wird. Wurde beispielsweise der zweite Ladespeicher CC2 zuvor elektrisch aufgeladen, so wird aufgrund des eingeschalteten Schaltzustandes des zweiten Schaltelementes SW2 der Energiespeicher SC mittels des zweiten Ladespeichers CC2 geladen.
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Die Schritte S20, S22 repräsentieren in diesem Fall einen Entladevorgang des zweiten Ladespeichers CC2, der zeitlich überlappend zu dem Ladevorgang des ersten Ladespeichers CC1 ausgeführt wird.
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In einem Schritt S24 wird ein ausgeschalteter Schaltzustand des zweiten Schaltelementes SW2 gesteuert. Dadurch wird der zweite Ladespeicher CC2 von dem Energiespeicher SC elektrisch entkoppelt und somit in einem Schritt S26 mit der Quellenspannung U_GEN beaufschlagt und geladen.
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Die Schritte S24, S26 repräsentieren in diesem Fall einen Ladevorgang des zweiten Ladespeichers CC2, der zeitlich überlappend, vorzugsweise zeitlich parallel, zu dem Entladevorgang des ersten Ladespeichers CC1 ausgeführt wird. Damit der Ladevorgang des zweiten Ladespeichers CC2 vorzugsweise zeitlich parallel zu dem Entladevorgang des ersten Ladespeichers CC1 erfolgt, kann in einen Schritt S23 eine Zeitverzögerung vorgesehen sein. Eine derartige Zeitverzögerung kann alternativ oder zusätzlich auch zwischen den Schritten S12, S14 vorgesehen sein. Ferner kann nach dem Schritt S16 und/oder nach dem Schritt S26 eine vorgegebene Zeitverzögerung vorgesehen sein. Danach kann das Programm in den Schritten S10, S20 erneut ausgeführt werden. Erreicht die Spannung des Energiespeichers SC den vorgegebenen Spannungsschwellenwert, so wird das Programm in dem Schritt S3 beendet.
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In den 2a bis 4b sind anhand von Zeitdiagrammen Vergleiche zwischen der Ladung des Energiespeichers SC mit dem ersten Ladespeicher CC1 und einer direkten Ladung des Energiespeichers SC mittels des Spannungswandlers DCDC dargestellt. Dabei repräsentiert ein jeweiliger Index 1 die Ladung des Energiespeichers SC mit dem ersten Ladespeicher CC1 und ein Index 2 die direkte Ladung des Energiespeichers SC.
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In 2a ist ein zeitlicher Verlauf einer Energiemenge E des Energiespeichers SC dargestellt. Anhand der 2a ist zu erkennen, dass durch die Verwendung des Ladespeichers deutlich schneller dem Energiespeicher SC eine hohe Energiemenge E1 zugeführt werden kann im Vergleich zu der direkten Ladung.
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In 2b ist ein entsprechender zeitlicher Verlauf der Spannung U des Energiespeichers SC dargestellt. Durch die Verwendung des ersten Ladespeichers CC1 erreicht der Energiespeicher SC deutlich schneller eine hohe Spannung U1 im Vergleich zu der direkten Ladung des Energiespeichers SC. So wird beispielsweise zu einem Zeitpunkt t1 bereits eine vorgegebene Spannung UP des Energiespeichers SC mittels der Ladung mit dem ersten Ladespeicher CC1 erreicht, während diese bei direkter Ladung des Energiespeichers SC erst zu einem Zeitpunkt t2 erreicht wird. Die Zeitdauer zwischen den Zeitpunkten t2, t1, so z. B. 20 s, repräsentiert einen zeitlichen Vorteil der Ladung mit Ladespeicher gegenüber der direkten Ladung des Energiespeichers SC.
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In 2c ist ein zeitlicher Verlauf einer Spannung U des Energiespeichers SC dargestellt, der beispielsweise eine Kapazität von 35 Farad aufweist. Der diesem Energiespeicher SC zugeordnete Ladespeicher weist beispielsweise eine Kapazität von 3 Farad auf. Derartige Energiespeicher SC werden beispielsweise in Lenksystemen, so z. B. Power-Steering Systemen, in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Auch hier weist die Ladung des Energiespeichers SC mit Ladespeicher einen zeitlichen Vorteil gegenüber der direkten Ladung des Energiespeichers SC auf, so z. B. 6 s.
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In 3 ist ein zeitlicher Verlauf der Energiemenge E1 des Energiespeichers SC und eine Energiemenge E1_CC des Ladespeichers dargestellt. Während des Ladevorgangs des Ladespeichers bleibt die Energiemenge E1 des Energiespeichers SC im Wesentlichen konstant, während bei dem Entladevorgang des Ladespeichers die Energiemenge E1 des Energiespeichers SC erhöht wird. Das heißt, mittels des Ladespeichers werden dem Energiespeicher SC vorgegebene Energiepakete zugeführt.
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In 4a ist ein zeitlicher Verlauf des Ladestroms IC zum Laden des Ladespeichers bzw. des Energiespeichers SC dargestellt. Während der jeweilige Ladestrom I1 des Ladespeichers zeitnah zum Ladebeginn sehr hoch ist, so z. B. bis zu 24 A, verläuft der Ladestrom I2 bei direkter Ladung des Energiespeichers SC aufgrund der Strombegrenzung beispielsweise des Spannungswandlers DCDC im Wesentlichen konstant auf einem niedrigen Wert, so z. B. 9A, für einen langen Zeitraum, so z. B. für 25 s.
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In 4b ist der entsprechende zeitliche Verlauf der Spannung U1_CC des Ladespeichers und der Spannung des Energiespeichers SC dargestellt. Die Spannung des Ladespeichers erreicht sehr schnell den vorgegebenen Ladespeicherschwellenwert von beispielsweise 350 V im Vergleich zu einem dazu langsamen Spannungsanstieg an dem Energiespeicher SC.
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Ein weiterer Einsatz der Energiespeicheranordnung ist beispielsweise im Bereich von Fotovoltaik-Modulen möglich. Zur Energiespeicherung sind hier große Kondensatormodule in Form von beispielsweise Doppelschichtkondensatoren notwendig. Leistungsoptimale Energieübertragung findet statt, wenn ein Ausgangswiderstand der Fotovoltaik-Module gleich einem Eingangswiderstand der Energiespeicheranordnung ist. Diese Leistungsanpassung kann mithilfe des zumindest einen Ladespeichers erreicht werden, der – wenn er vollständig geladen ist – seine elektrischen Energie auf den Energiespeicher SC überträgt.
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Bezugszeichenliste
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- ACDC
- weiterer Spannungswandler
- CC1, CC2
- Ladespeicher
- DCDC
- Spannungswandler
- E, E1, E2
- elektrische Energiemenge
- E1_CC
- Energiemenge des Ladespeichers
- EM
- elektrische Maschine
- ES
- Energiespeicheranordnung
- ESR
- Ersatzserienwiderstand
- GEN
- Generator
- I
- Strom
- IC
- Ladestrom
- P
- Leistung
- PC
- Ladeleistung
- Pcap
- Kondensatorleistung
- SC
- Energiespeicher
- SS
- Spannungsquelle
- SW1, SW2
- Schaltelement
- U, U1, U2
- Spannung des Energiespeichers
- U_GEN
- Quellenspannung
- U1_CC
- Spannung des Ladespeichers
- Uac
- Wechselspannung
- UP
- vorgegebene Spannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10305058 B3 [0003]
- DE 19846319 C1 [0004]