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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Energieversorgung in
einem Bordnetz mittels Schwungmassenenergiespeicher nach der Gattung des
Hauptanspruchs.
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Konventionelle
einfache Energiebordnetze in Fahrzeugen werden allein aus der Batterie
und dem die Batterie ladenden Generator gespeist. Bei kurzzeitig
benötigten
Spitzenströmen
wird dabei die Energie transient aus der Batterie entnommen bis
der Generator die geforderte elektrische Leistung liefern kann.
Solche zeitlich begrenzten hohen Belastungen der Batterie beeinträchtigen
die Batterie und verkürzen
ihre Lebensdauer.
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Ebenso
führen
kurzzeitig hohe Ladeströme, die
bei der Rückgewinnung
von Bewegungsenergie in elektrische Energie auftreten, beispielsweise
bei einer sogenannten Bremsenergierekuperation, zu Anforderungen
an die Zyklisierbarkeit der Batterie bzw. den Energiespeicher, die
heute nur mit teuren hochzyklenfesten Batteriesystemen erfüllt werden können. Solche
hochzyklenfesten Batteriesysteme sind jedoch für die Speicherung hoher Energiemengen
nicht geeignet.
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In
erweiterten Energiebordnetzen in Fahrzeugen werden dagegen wenigstens
zwei Batterien bzw. zwei Ladungsspeicher bzw. Energiespeicher eingesetzt.
Dabei wird die Auswahl geeigneter Energiespeicher so getroffen,
dass einer der Energiespeicher zur Speicherung einer hohen Energiemenge
geeignet ist und beispielsweise ein Langzeitspeicher ist und der
andere als zyklenfester Energiespeicher, insbesondere Kurzzeitspeicher,
der oft geladen und wieder entladen werden kann ohne in seiner Funktionsfähigkeit
beeinträchtigt
zu werden. Beispielsweise ist ein Energiespeicher eine herkömmliche
Bleisäurebatterie
und der zweite eine Kondensatoranordnung mit relativ hoher Kapazität. Darüber hinaus
kann ein solches Bordnetz mit zwei Energiespeichern so ausgestaltet
sein, dass die beiden Energiespeicher jeweils für unterschiedliche Spannungen
ausgelegt sind und miteinander über
einen Gleichspannungswandler in Verbindung stehen. Ein Beispiel
für ein derartiges
Fahrzeugbordnetz wird in der
DE 199 03 427 A1 beschrieben.
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Als
elektrische Maschine wird in diesem Fall ein sogenannter Startergenerator
eingesetzt, der über
einen Wechselrichter mit dem Bordnetz bzw. der Batterie in Verbindung
steht und sowohl als vom Verbrennungsmotor angetriebener Generator
als auch als Startermotor für
den Start des Verbrennungsmotors arbeiten kann.
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Ein
Bordnetz mit mehreren Ladungsspeichern kann auch so ausgestaltet
werden, dass für
sicherheitsrelevante elektrische Verbraucher eine redundante Spannungsversorgung
aufgebaut wird, bei der bei Versagen von einem Energiespeicher der
andere die Versorgung mit übernimmt.
Redundanten Spannungsversorgungen sind beispielsweise in sogenannten
X-by-wire-Systemen vorgesehen. X steht dabei für beliebige sicherheitsrelevante
Systeme wie beispielsweise Lenkung oder Bremsanlage. Solche elektronisch
gesteuerten Systeme, die ohne mechanische Rückfallebene arbeiten, benötigen eine
Redundanz um ein sicheres Funktionieren oder zumindest ein sicheres
Abschalten des Systems im Fehlerfall zu gewährleisten. Weiterhin ist in
Verbindung mit Redundanz in einem Bordnetz die Möglichkeit in Betracht gezogen
worden, als zweiten Energiespeicher eine Brennstoffzelle einzusetzen
und mit dieser bei unzureichender Batterieladung eine zusätzliche
Energiequelle bereit zu stellen.
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Eine
weitere Möglichkeit
zur Energieerzeugung bzw. zur Energiewandlung, die in Fahrzeugbordnetzen
zum Einsatz kommt, besteht darin, einen Schwungmassenenergiespeicher
einzusetzen, beispielsweise ein Schwungrad, das in sich schnell
drehendem Zustand einen Energieinhalt aufweist, der beim Abbremsen
des Schwungrades in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Ein Beispiel für ein
Fahrzeugbordnetz, bei dem unter anderem zur Energiespeicherung und
Energiewandlung ein Schwungmassenenergiespeicher zum Einsatz kommt,
wird in der
DE 41 02
882 A1 beschrieben. Dieses Fahrzeugbordnetz ist im Zusammenhang
mit einem Hybridfahrzeug offenbart und benutzt den Schwungmassenenergiespeicher
einerseits zur Unterstützung
des elektrischen Antriebs und andererseits aber auch zur Energierückgewinnung
beim Bremsen. Bei dieser sogenannten Rekuperation wird der Schwungmassenenergiespeicher
generatorisch abgebremst und die entstehende elektrische Energie in
einem Energiespeicher, beispielsweise in der Fahrzeugbatterie zwischengespeichert.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Energieversorgung in einem Bordnetz mittels Einsatz eines Schwungmassenenergiespeichers
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass kurzzeitig
auftretende elektrische Spitzenbelastungen im Fahrzeugenergiebordnetz
in ihrer Wirkung kompensiert werden können. Besonders vorteilhaft
ist dabei, dass solche kurzzeitig auftretende Spitzenbelastung auch
bei häufigem
Auftreten problemlos kompensiert werden können. Erzielt wird dieser Vorteil
in dem in einem Fahrzeugenergiebordnetz zusätzlich zur üblichen Batterie ein Schwungradenergiespeicher
eingesetzt wird, der zur Erzeugung elektrischer Energie dient und
jeweils so betätigt
wird, dass bei vorgebbaren Bedingungen durch generatorisches Abbremsen kurzzeitig
wirkende elektrische Energieimpulse erzeugt werden, die zur Kompensation
der Spitzenlastanforderung verwendet werden. Damit wird durch Einsatz
eines regelbaren Schwungmassenenergiespeichers eine Pufferfunktion
für kurzzeitige
hohe Leistungsanforderungen erhalten.
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Weitere
Vorteile der Erfindung werden durch die in den Unteransprüchen angegebenen
Maßnahmen
erzielt. Dabei ist vorteilhaft, dass die Ansteuerung des Schwungmassenenergiespeichers
so erfolgen kann, dass er zu vorgebbaren Zeiten auf seine optimale
Drehzahl gebracht wird und dann eine bestimmte vom Aufbau des Schwungmassenenergiespeichers
abhängige
Energie gespeichert hat. In vorteilhafter Weise wird ein Schwungmassen-Energiespeicher
mit einem Energiespeicher von 10 bis 50 kJ eingesetzt.
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Da
die übliche
Batterie durch den Einsatz des Schwungmassenenergiespeichers von
den häufig
auftretenden Hochleistungsforderungen entlastet wird, wird in vorteilhafter
Weise eine wesentliche Verlängerung
der Lebensdauer der Batterie erzielt. Der erfindungsgemäße Schwungmassenenergiespeicher
weist selbst eine lange Lebensdauer sowie in Folge seiner kurzen
Zugriffszeit eine hohe Zyklenfestigkeit auf er kann dabei sehr häufig abgebremst
und wieder beschleunigt werden. Eine generelle Erhöhung der
Bordnetz-Zuverlässigkeit
ist als weitere vorteilhafte Eigenschaft zu erzielen.
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Der
erfindungsgemäße Schwungmassenenergiespeicher
ist auch eine vorteilhafte Alternative zu konventionellen Mehrspeichersystemen
mit Stützbatterie,
da die Stützbatterie
einschließlich
deren Batterieüberwachungseinrichtung
entfallen kann und trotzdem ein überwachbarer
Speicher vorhanden ist. In Energiebordnetzen zur Versorgung von
X-by-wire-Systemen kann ein Schwungmassenenergiespeicher als vorteilhaft
ansteuerbares redundantes Speicherelement eingesetzt werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird als
Schwungmassenenergiespeicher ein ohnehin vorhandener elektrischer
Zusatzverdichter benutzt, der eine schnell drehende elektrische
Maschine umfasst, deren gespeicherte kinetische Energie sowohl zur
Bereitstellung von elektrischer Energie bei Spitzenbelastung als
auch zur redundanten Energieversorgung eingesetzt werden kann zur
Bildung sicherer hoch zuverlässiger
Bordnetze. Durch entsprechende Ansteuerung der elektrischen Maschine
des Zusatzverdichters können
dabei jeweils die benötigten
kurzzeitigen Spitzenströme
erzeugt werden.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die
Ansteuerung des Schwungmassenenergiespeichers so erfolgen, das sie
eine Leistungsadaption oder eine Spannungsadaption ermöglicht.
Dabei kann entweder Energie von einer schwachen Batterie oder auch
von einer Brennstoffzelle oder bei Rekuperation frei werdende Energie gesammelt
werden und damit der Schwungmassenenergiespeicher geladen bzw. seine
Drehzahl erhöht werden
oder es wird Energie vom Schwungradenergiespeicher mit einem bestimmten
Spannungspegel abgegeben, der vorzugsweise höher, gegebenenfalls aber auch
niedriger ist als der Bordnetzspannungspegel. Damit kann in vorteilhafter
Weise durch die abgegebene höhere
Spannung eine Ladung der Fahrzeugbatterie vorgenommen werden. Der
Schwungmassenenergiespeicher stellt dabei eine Art Gleichspannungswandler,
insbesondere Hochsetzsteller dar. Ist die abgegebene Spannung niedriger
als die Bordnetzspannung, stellt der Schwungmassenenergiespeicher
einen Tiefsetzsteller dar, bzw. kann als solcher betrieben werden.
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Zeichnung
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In
den 1 bis 3 sind die für das Verständnis der Erfindung erforderlichen
Komponenten eines Schwungmassenenergiespeichers in Verbindung mit
einem Fahrzeugbordnetz dargestellt. Im einzelnen zeigt 1 die
schematische Darstellung des zugehörigen Bordnetzes, 2 die
mechanische Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Beispiels und 3 eine
Prinzipsskizze für
die Energieverteilung im Verdichter- bzw. im Speicherbetrieb für ein Ausführungsbeispiel
mit einem elektrischen Zusatzlader.
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Beschreibung
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In 1 sind
die erfindungswesentlichen Komponenten eines Fahrzeugbordnetzes
dargestellt. Das Bordnetz besteht aus einer Batterie 10,
einem triebstranggekoppelten Generator 11, einem Schwungmassenenergiespeicher 12 sowie
gegebenenfalls einem oder gegebenenfalls auch mehreren Bremsgeneratoren 13,
die Bremsenergie in elektrische Energie wandeln können. Die
Ansteuerung der Komponenten wird mit Hilfe eines Steuergerätes bzw.
einer Steuereinrichtung 14 durchgeführt, das über Steuerleitungen S1 bis
S3 mit den betreffenden Komponenten in Verbindung steht und insbesondere als
mikroprozessorgesteuerte Steuereinrichtung ausgestaltet ist.
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Der
Schwungmassenenergiespeicher 12, beispielsweise ein Schwungradenergiespeicher
kann in vorteilhafter Ausgestaltung 10 bis 50 kJ speichern. Er wird
von der Steuereinrichtung 14 zur Energieversorgung dann
zugeschaltet, wenn kurzfristig ein relativ hoher Strom benötigt wird.
Es wird dann die gespeicherte Energie durch generatorisches Abbremsen
des Schwungmassenenergiespeichers, insbesondere mittels eines Bremsgenerators 13 gewonnen.
Der Steuereinrichtung 14 werden alle zur Erkennung des
Bordnetzzustandes benötigten
Informationen zugeführt,
damit kann die Steuereinrichtung erkennen, wann ein hoher Strom
benötigt
wird und dann entsprechende Steuersignale an den Schwungmassenenergiespeicher
bzw. einer diesem zugeordneten Elektronik abgeben.
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Die
Ansteuerung des Schwungmassenenergiespeichers durch die Steuereinrichtung 14 erfolgt so,
dass bei Zuschalten von Spitzenlastverbrauchern dem Schwungmassen-
bzw. Schwungradenergiespeicher kinetische Energie entnommen wird,
insbesondere mittels des Bremsgenerators 13 und diese dem
Bordnetz als elektrische Energie zugeführt wird. Nach einer Zeitspanne
von 1 bis 2 Sekunden hat die Generatorregelung am Antriebsstrang
soweit nachgeregelt, dass die benötigte Energie vom Generator geliefert
wird und nicht mehr aus dem Schwungmassenenergiespeicher entnommen
werden muss. Der Schwungmassenenergiespeicher wird dann wieder aufgeladen,
wobei die Ladezeit einem vielfachen der Entladezeit entsprechen
kann. Beim nächsten
Spitzenenergiebedarf durch neuerliches Zuschalten eines Hochleistungsverbrauchers
ist die Energie im Schwungmassenenergiespeicher wieder verfügbar und
kann wiederum den hohen Bedarf kurzfristig decken.
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Wesentlich
ist also, dass mit Hilfe des Schwungmassenenergiespeichers eine
Unterstützung
des Energiebordnetzes ermöglicht
wird. Damit lässt
sich die Bordnetzspannung stabilisieren und die Batterie als Kurzzeitenergiespeicher
entlasten, wodurch eine Verlängerung
der Batterielebensdauer möglich
wird. Spitzenverbraucher, die kurzzeitig hohe Leistung benötigen und
relativ häufig
eingeschaltet werden, können
so zuverlässig
betrieben werden. Für
sicherheitsrelevante Verbraucher kann der Schwungmassenenergiespeicher
eine redundante Versorgung bei Ausfall der Batterie darstellen.
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Mit
dem in 1 dargestellten System kann auch durch Rekuperation
mechanische Energie umgewandelt und gespeichert werden, die dann
als Kurzzeitspeicherenergie für
Anlaufströme
von Elektromotoren und Spitzenverbraucher wie Glühkerzen, Heizungen, Verstellmotoren,
elektrische Bremsen oder elektrische Lenkungen zur Verfügung steht.
Der Schwungmassenenergiespeicher wirkt also in diesem Fall als Kurzzeitspeicher
für Spitzenlastverbraucher
und Rekuperationssysteme und ersetzt eine andernfalls benötigte aufwendige
hochzyklenfeste Stützbatterie.
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Eine
mögliche
Ausführungsform
eines Energieversorgungssystems mit einem Schwungmassenenergiespeicher
ist in 2 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel, das beispielsweise
für die
Energieversorgung einer elektrischen Bremse eingesetzt werden kann,
soll eine redundante Spannungsversorgung sicher gestellt werden.
Dazu kann die Rotationsenergie eines Rades eines Fahrzeugs bzw. einer über das
Rad bzw. eine zugehörige
Welle angetriebenen Schwungmasse genutzt werden. Die Schwungmasse 15 ist
dabei über
eine Kupplung 16 sowie zugeordnete Achsen 17 mit
dem Rad 18 verbunden. Beim Bremsen wird die Kupplung 16 geöffnet und
die Schwungmassenscheibe entkoppelt. Die in der Scheibe gespeicherte
rotatorische Energie kann nun über
einen Generator 19 in elektrische Energie gewandelt werden
und zum Bremsen mittels einer elektrischen Bremse 20 genutzt
werden, wobei die Zuführung
der benötigten
elektrischen Energie vom Generator 19 zur elektrischen
Bremse 20 über eine
Energieleitung 21 erfolgt. Wird das Fahrzeug wieder beschleunigt,
kann die Energie der Schwungmasse mittels einkoppeln auch zum Beschleunigen genutzt
werden.
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Über eine
weitere Verbindung 22, die gegebenenfalls auch verschiedene
Schalter beinhaltet, die in zweckmäßiger Weise betätigt werden,
kann die beim generatorischen Abbremsen der Schwungmasse 15 gewinnbare
elektrische Energie auch ins Bordnetz eingespeist werden und zur
Ladung der Batterie 23 und/oder zur Versorgung von Verbrauchern 24 verwendet
werden. Die Zu- bzw. Wegschaltung der einzelnen Komponenten erfolgt
beispielsweise über Schaltmittel 25, 26.
Bei entsprechender Ansteuerung des Schwungmassenspeichers 15 können dann ebenfalls
Strompulse zur Deckung eines kurzzeitig hohen Strombedarfs erzeugt
werden. Wesentlich an diesem Ausführungsbeispiel ist also, dass
das System eine redundante Energieversorgung für elektrische Bremsen ermöglicht und
zur Erzeugung einer kurzzeitig benötigten hohen elektrischen Leistung eingesetzt
werden kann. Damit kann einerseits eine zweite zyklenfeste Batterie
entfallen und andererseits trotzdem ein redundantes Energieversorgungssystem
für sicherheitsrelevante
Verbraucher aufgebaut werden.
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In
einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist der Schwungmassenenergiespeicher Bestandteil eines
elektrischen Zusatzverdichters. Dieser elektrische Zusatzverdichter
stellt im üblichen Betriebszustand
eine schnell drehende elektrische Maschine mit einem von seinem
Aufbau abhängigen Energieinhalt
in Form von Rotationsenergie dar. Diese elektrische Maschine wird
erfindungsgemäß im Umkehrbetrieb
als redundanter Energiespeicher, insbesondere Schwungmassenenergiespeicher
eingesetzt und kann einerseits wiederum für sichere, hochzuverlässige Bordnetze
verwendet werden oder zur Bereitstellung kurzfristig benötigter hoher
elektrischer Leistung vorgesehen werden. Solche elektrische Maschinen
weisen beispielsweise Stromgradienten von 200 bis 300 Ampère pro
Sekunde auf. Dabei kann die elektrische Maschine des elektrischen Zusatzverdichters
die Funktion eines zyklenfesten Ersatzenergiespeichers übernehmen.
Damit ist wiederum eine redundante Spannungs- bzw. Energieversorgung
für insbesondere
sicherheitsrelevante Zusatzverbraucher möglich ohne dass eine zweite Batterie
eingesetzt werden muss.
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Die
Beschreibung von Aufbau und Funktion dieses Ausführungsbeispiels der Erfindung
lässt sich anhand 3 erläutern. In 3 ist
der Sachverhalt schematisch für
die Energiereserve zur Speisung des Bordnetzes dargestellt. Dabei
wird deutlicht, dass im Verdichterbetrieb VB die kinetische Energie 27 maximal
ist und eine Energiereserve ER zur Speisung des Bordnetzes darstellt.
Im Speicherbetrieb SB ist die kinetische Energie 27 minimal,
die Energiereserve 28 zur Speisung des Bordnetzes dagegen maximal.
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Elektrische
Zusatzverdichter mit schnell drehender elektrischer Maschine enthalten
im Normalbetrieb kinetische Energie. Diese Energie wird beim üblichen
Betrieb des elektrischen Zusatzverdichters dem elektrischen Bordnetz
bzw. der Batterie über elektrische
Wandler entnommen. Die elektrische Maschine wird dabei in einer
Regelstrategie auf ihre Maximaldrehzahl gebracht und auf dieser
Maximaldrehzahl mit minimalem Energieaufwand stabilisiert. Die Verdichtung
der Ansaugluft wird über
Teilströme
eines Lüfterrades
durchgeführt,
damit die Drehzahl der Maschine bei geringerem Luftbedarf nicht
reduziert werden muss.
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Im
Falle des Versagens des primären
Bordnetzspeichers, insbesondere der Batterie kann die kinetische
Energie der elektrischen Maschine des elektrischen Zusatzverdichters
genutzt werden, um im Umkehrbetrieb über den Wandler das Bordnetz kurzzeitig
zu speisen und hierdurch die wichtigsten Verbraucher, insbesondere
sicherheitsrelevante Verbraucher oder Hochleistungsverbraucher zu
versorgen und damit das Fahrzeugbordnetz in einem sicheren Zustand
zu halten. Der Energiebedarf und die Betriebsstrategie der elektrischen
Verbraucher entscheiden über
die Auslegung der Speichergröße. Die für die Abschaltung
von Sicherheitssystemen erforderliche Minimalenergie muss im Verdichter-Betrieb im
Speicher verbleiben. Die elektrische Maschine muss also so ausgewählt werden,
dass sie jederzeit eine gewisse Minimalenergie zur Verfügung stellen kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird der Schwungmassen- bzw. Schwungradenergiespeicher
zur Leistungs- und Spannungsadaption eingesetzt. Diese Ausführungsform
lässt sich
beispielsweise mit einer Einrichtung entsprechend 1 oder 2 realisieren,
wobei dann gegebenenfalls noch eine Brennstoffzelle parallel zur
Batterie zuschaltbar ist. Damit kann Energie von einer schwachen
Batterie oder einer Brennstoffzelle oder Mitteln zur Rekuperation,
als kinetischer Energieinhalt des Schwungmassenenergiespeicher gesammelt
werden und dann beim Start des Fahrzeugs konzentriert als hoher
Starterstrom abgegeben werden oder bei sonstigem kurzzeitigen hohem
Strombedarf ins Bordnetz abgegeben werden. Bei der Spannungsadaption
wird die Energie bei einem bestimmten Spannungspegel aufgenommen
und mit einem anderen Spannungspegel abgegeben, wobei sowohl eine
Tief- als auch eine Hochsetzstellerfunktion realisiert werden kann.
Der als Spannungswandler eingesetzte Schwungmassenenergiespeicher oder
gegebenenfalls entsprechend ein Bremsgenerator muss dazu die erforderlichen
elektronischen Komponenten aufweisen und kann dann auch die kurzfristig
benötigte
elektrische Leistung bei der Zuschaltung hoher Verbraucher bereitstellen.
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Der
Schwungmassenenergiespeicher ist bei dieser Ausgestaltung ein an
eine elektrische Maschine gekoppeltes Schwungmassen- System, beispielsweise
eine zusätzliche
Schwungmasse oder ein Startergenerator ISG über den elektrische Energie „gepumpt" werden kann. Je
nach Vorgabe ist eine bestimmte Spannung, ein Strom oder eine Leistung
einzuhalten. Vorgegebene Werte können über eine
entsprechende Ansteuerung mittels einer Steuereinrichtung 14 des
im Speichersystem verwendeten Startergenerators eingehalten werden.
Die Funktionsweise einer solchen Anordnung entspricht einem kombinierten
Tief- und Hochsetzsteller, wobei die speicherbare Energie, die zwischen
Lade- und Entladevorgang gepuffert wird wesentlich höher ist
als bei einem kombinierten Tief- und Hochsetzsteller. Der Spannungswandler
ist damit zur Verbindung unterschiedlicher Spannungsebenen geeignet
und als Energiepumpe zur Transformation von Energie in unterschiedlichen
Spannungsniveaus. Dabei wird der Schwungmassenenergiespeicher mit
gerade vorhandenen Energiemengen in kinetisch höhenenergetischen Zustand gebracht
und dieser bei Bedarf in elektrische Energie mit gewünschten
Eigenschaften hinsichtlich Stromstärke und/oder Spannungsniveau zurückgewandelt.
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Die
Funktionsweise des erfindungsgemäßen Schwungmassenenergiespeichers
lässt sich
für das Beispiel
der Startunterstützung
wie folgt darstellen: zum Starten des Fahrzeugs bei schwacher Batterie wird
zunächst über eine
längere
Zeitspanne eine geringe Leistung von der Batterie bezogen und damit der
Schwungmassenenergiespeicher auf höhere Drehzahl gebracht. Diese
Vorgehensweise ist notwendig um den chemischen Prozess innerhalb
der Batterie optimal auszunutzen. Die gesammelte Energie wird dann
schlagartig synchron zu einem Motorstartvorgang ins Bordnetz zurückgespeist
und stellt dabei die in einer kurzen Zeit notwendige hohe Energie
beim Starten eines Motors zur Verfügung. Analog kann bei Verwendung
einer Brennstoffzelle verfahren werde. Dann wird aus der Brennstoffzelle
langsam Energie entnommen und dem Schwungmassenenergiespeicher zugeführt. Die
Randbedingungen können
entsprechend angepasst werden.