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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Energiespeichereinheit zur Speicherung
elektrischer Energie bei einer Nennspannung U_n und zur Versorgung
eines Verbrauchers, insbesondere eines Audiosignalverstärkers, mit
der gespeicherten elektrischen Energie, wobei die Energiespeichereinheit
mindestens einen Kondensator aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Energieversorgungssystem
gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 10.
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Energiespeichereinheiten
der eingangs genannten Art sind bekannt und werden insbesondere bei
Kraftfahrzeugen oder weiteren Land- beziehungsweise Wasserfahrzeugen
dazu eingesetzt, die Spannung eines elektrischen Versorgungsnetzes bzw.
Bordnetzes zu Puffern, um den zuverlässigen Betrieb elektrischer
Verbraucher auch dann zu ermöglichen,
wenn das Versorgungsnetz impulsartigen Strombelastungen ausgesetzt
ist.
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Nachteilig
an den herkömmlichen
Energieversorgungssystemen ist insbesondere ihre nur geringe Impulsbelastbarkeit.
Das heißt,
bekannte Systeme sind nur eingeschränkt dazu geeignet, die bereitgestellte
Ausgangsspannung auch bei einer impulsartigen Belastung aufrechtzuerhalten,
um einen sicheren Betrieb des betreffenden elektrischen Verbrauchers
zu ermöglichen.
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Weiterhin
sind aus dem Stand der Technik Systeme bekannt, bei denen ein Energiespeicher dem
Energieversorgungssystem primärseitig
zugeordnet ist. Bei diesen Systemen wird beispielsweise eine Bordnetzspannung
eines Kraftfahrzeugs von dem Energiespeicher gepuffert, um der Stromversorgungseinheit
an ihrem Eingang eine stabile Eingangsspannung zur Verfügung stellen
zu können. Bei
einer insbesondere impulsförmigen
Belastung der Stromversorgungseinheit an ihrem Ausgang kann üblicherweise
die an dem Eingang der Stromversorgung gespeicherte Energie nicht
genügend schnell
in eine am Ausgang zur Verfügung
stehende elektrische Leistung transformiert werden. Das heißt, selbst
bei einer primärseitigen
Pufferung einer Stromversorgungseinheit kann eine sichere Aufrechterhaltung
der Ausgangsspannung bei impulsförmigen
Belastungen der Ausgangsspannung nicht gewährleistet werden.
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Demgemäß ist es
Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Energiespeichereinheit anzugeben
und ein Energieversorgungssystem der eingangs genannten Art dahingehend
zu verbessern, dass dessen Impulsbelastbarkeit und eine entsprechende
Stabilität
der Ausgangsspannung über
einen möglichst
großen
Betriebsbereich gesteigert beziehungsweise sichergestellt wird.
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Hinsichtlich
der Energiespeichereinheit wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass
die Kapazität
C_E der Energiespeichereinheit so dimensioniert ist, dass gilt:
wobei E_n diejenige Energie
ist, die ein von der Energiespeichereinheit zu versorgender Verbraucher
in einer Sekunde aufnimmt.
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Durch
die erfindungsgemäße Dimensionierung
ist sichergestellt, dass die unterschiedlichsten möglichen
Verbraucher hinreichend lange bei einer hinreichend großen Spannung
von der Energiespeichereinheit versorgbar sind.
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Beispielsweise
ergibt sich bei einer Nennspannung von U_n = 40 V und einer je Sekunde
aufgenommenen Energie von E_n = 100 J die Kapazität der erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit
zu C_E >= 25.000 μF.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Nennspannung
U_n größer ist
als 12 Volt. Dadurch können
auch Verbraucher durch die erfindungsgemäße Energiespeichereinheit versorgt
werden, deren Eingangsspannung größere Nennwerte als 12 Volt
aufweist.
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Bei
einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung ist vorgesehen, dass für
einen Innenwiderstand R_i der Energiespeichereinheit gilt:
wobei P_n die Nennleistung
angibt, mit der der Verbraucher von der Energiespeichereinheit versorgbar ist.
Durch diese erfindungsgemäße Dimensionierung ist
sichergestellt, dass bei der Belastung der Energiespeichereinheit
durch einen daran angeschlossenen Verbraucher nur ein verhältnismäßig geringer
Spannungsabfall in der Energiespeichereinheit auftritt, so dass
der Verbraucher auch bei großen
Strömen
bzw. Nennleistungen mit einer möglichst
großen
Spannung versorgbar ist.
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Beispielsweise
ergibt sich bei einer Nennspannung von U_n = 40 V und einer Nennleistung von
P_n = 100 W für
den Innenwiderstand der Energiespeichereinheit: R_i <= 0,16 Ohm.
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Besonders
vorteilhaft weist der Innenwiderstand R_i einer Erfindungsvariante
zufolge den angegebenen Wert für
einen Frequenzbereich von etwa 10 Hz bis etwa 40 kHz auf. Diese Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit
ist besonders gut geeignet zur Versorgung von Audiosignalverstärkern.
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Bei
einer weiteren sehr vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit
ist eine Ladeeinheit zum Aufladen und/oder Entladen und/oder Überwachen
der Energiespeichereinheit vorgesehen. Diese Ladeeinheit kann vorteilhaft
zumindest teilweise in die erfindungsgemäße Energiespeichereinheit integriert
sein.
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Sehr
vorteilhaft ist bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit
vorgesehen, dass die Ladeeinheit eine Komparatorschaltung aufweist,
die eine Ladespannung, auf die die Energiespeichereinheit aufgeladen
ist, mit der Ausgangsspannung einer zur Aufladung der Energiespeichereinheit
vorgesehenen und mit dieser verbundenen Stromversorgungseinheit
vergleicht. Auf diese Weise sind insbesondere die verschiedenen
Betriebszustände
der Energiespeichereinheit überwachbar.
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Die
Ladeeinheit ist vorteilhaft so konfiguriert, dass sie die Energiespeichereinheit
innerhalb einer vorgebbaren Zeit und/oder mit einem vorgebbaren Entladestrom
entlädt,
wenn die Ausgangsspannung der Stromversorgungseinheit während einer
vorgebbaren Wartezeit die Ladespannung der Energiespeichereinheit
um eine vorgebbare Differenzspannung unterschreitet.
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Beispielsweise
wird bei einem längeren
bzw. dauerhaften Absinken der Ausgangsspannung der Stromversorgungseinheit
auf deren Deaktivierung geschlossen und daraus abgeleitet, dass
auch die erfindungsgemäße Energiespeichereinheit
zu deaktivieren ist, was entsprechend durch das Entladen mittels
der Ladeeinheit erfolgt. Diese Funktionalität ermöglicht ferner ein Deaktivieren,
d.h. gezieltes Entladen, der erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit dann,
wenn die Stromversorgungseinheit aufgrund eines Defekts nur noch
eine geringere Ausgangsspannung bereitstellt. Durch das gezielte
Entladen in den vorstehend beschriebenen Fällen entfällt einerseits die separate
Bedienung der erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit,
z.B. deren separates Abschalten bei Nichtgebrauch, und andererseits
wird die gespeicherte elektrische Energie kontrolliert abgebaut
und somit einer möglichen
Brand- bzw. Explosionsgefahr oder dergleichen bei unsachgemäßer Behandlung
vorgebeugt.
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Gegebenenfalls
kann eine Diode oder ein Bauelement bzw. eine Schaltung mit vergleichbarer Funktion
zwischen der Stromversorgungseinheit und der Energiespeichereinheit
vorgesehen sein, um nach einem Deaktivieren der Stromversorgungseinheit
und einem entsprechenden Absinken der Ausgangsspannung einen Stromfluss
von der Energiespeichereinheit in die Stromversorgungseinheit zu verhindern.
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Bevorzugt
ist die Ladeeinheit ferner so konfiguriert, dass sie die Energiespeichereinheit
in einer vorgebbaren Ladezeit und/oder mit einem vorgebbaren Ladestrom
auflädt,
wenn die Ladespannung der Energiespeichereinheit eine vorgebbare
minimale Ladespannung unterschreitet. Dadurch ist sichergestellt,
dass die Energiespeichereinheit im Betrieb stets zur Pufferung eines
angeschlossenen Verbrauchers bereit ist.
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Auf
diese Weise ist also sichergestellt, dass die Energiespeichereinheit
stets auf ihre Nennspannung, beispielsweise die Ausgangsspannung
der Stromversorgungseinheit, aufgeladen wird, beispielsweise nach
einem Aktivieren des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems
oder auch nach einem Entladevorgang der Energiespeichereinheit durch
einen an das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem
angeschlossenen Verbraucher.
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Sowohl
bei dem Laden als auch bei dem Entladen der Energiespeichereinheit
kann die hierfür
erforderliche Zeit beziehungsweise der hierbei fließende Strom
durch die Auswahl eines Lade- beziehungsweise Entladewiderstands
vorgegeben werden. Verschiedene Lade- beziehungsweise Entladezeitkonstanten
sind durch eine Mehrzahl in unterschiedlicher Weise miteinander
verschaltbarer Widerstände
beziehungsweise durch einen steuerbaren Widerstand wie beispielsweise
einen Feldeffekttransistor oder dergleichen realisierbar.
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Besonders
vorteilhaft weist eine elektrische Verbindung zwischen der Stromversorgungseinheit und
der Ladeeinheit bzw. der Energiespeichereinheit im Falle einer unipolaren
Ausgangsspannung zwei Leiter und im Falle einer bipolaren Ausgangsspannung
drei Leiter auf. D.h., zur Realisierung der durch die erfindungsgemäße Ladeeinheit
bereitgestellten Funktionen wie der Überwachung der Ausgangsspannung
und dem kontrollierten Laden bzw. Entladen/Deaktivieren ist keine
separate Steuerleitung oder dergleichen erforderlich, sondern nur
die ohnehin zur elektrischen Kontaktierung benötigten elektrischen Leiter.
Dadurch können
konventionelle Stecker bzw. Kabel verwendet werden, und der Anschluss
der erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit
ist trotz der gesteigerten Funktionalität ebenso einfach wie bei herkömmlichen
Systemen.
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Durch
den Einsatz der Ladeeinheit mit Komparatorschaltung, die eine Ladespannung
der Energiespeichereinheit mit der Ausgangsspannung der Stromversorgungseinheit
vergleicht, erübrigt
sich das Vorsehen einer oder mehrerer weiterer Leitungen, die bei
herkömmlichen
Systemen zur Überwachung
beziehungsweise zur Übertragung
von Zustandsinformationen dienen.
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Hinsichtlich
des Energieversorgungssystems der eingangs genannten Art wird die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
eine mit dem Ausgang verbindbare Energiespeichereinheit vorgesehen
ist, die insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist.
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Die
erfindungsgemäße Energiespeichereinheit,
die der Stromversorgungseinheit an ihrer Sekundärseite, das heißt an ihrem
Ausgang zugeordnet ist, dient zur Pufferung der Ausgangsspannung
der Stromversorgungseinheit und kann je nach Kapazität beziehungsweise
Ladezustand eine deutlich größere elektrische
Energiemenge an einen Verbraucher abgeben, als die Stromversorgungseinheit
selbst in einem Dauerbetrieb zur Verfügung stellen könnte. Dementsprechend
eignet sich die erfindungsgemäße sekundärseitige
Energiespeichereinheit insbesondere zur Pufferung der Ausgangsspannung
bei einer impulsartigen Belastung der Stromversorgungseinheit beziehungsweise
des Energieversorgungssystems. Im Gegensatz zu bekannten Systemen,
die üblicherweise
eine primärseitige
Pufferung elektrischer Energie vorsehen, besteht bei dem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem
im Falle einer Belastung des Ausgangs nicht die Notwendigkeit, zunächst eine
primärseitig
gespeicherte elektrische Energie durch die Stromversorgungseinheit
auf das Spannungsniveau der Ausgangsspannung umzuwandeln. Das heißt, durch
die sekundärseitige
Energiespeicherung mittels der erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit
steht die elektrische Energie auf dem Niveau der Ausgangsspannung
bereit und kann unmittelbar abgerufen werden, ohne dass zunächst eine
Umwandlung von dem Eingangsspannungsniveau zu dem Ausgangsspannungsniveau
erforderlich ist. Dadurch ist das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem
besonders gut geeignet zur Versorgung von Audiosignalverstärkern.
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Neben
einer erfindungsgemäß dimensionierten
Energiespeichereinheit kann bei dem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem
auch eine anders dimensionierte sekundärseitige Energiespeichereinheit
eingesetzt werden, solange die Kapazität dieser Energiespeichereinheit
hinreichend groß gewählt ist.
Beispielsweise kann die Kapazität
der sekundärseitigen
Energiespeichereinheit etwa 10000 μF oder mehr betragen.
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Bei
einer sehr vorteilhaften Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems
ist die Ausgangsspannung als bipolare Ausgangsspannung bereitgestellt,
so dass auch Verbraucher, die eine symmetrische Spannungsversorgung
benötigen,
versorgbar sind. In diesem Fall ist die erfindungsgemäße Energiespeichereinheit
beziehungsweise eine darin enthaltene Kondensatoranordnung ebenfalls
bipolar auszulegen.
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Besonders
vorteilhaft ist die Stromversorgungseinheit bei einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung als Schaltnetzteil ausgebildet. Der Einsatz
eines Schaltnetzteils eignet sich insbesondere für mobile oder sonstige kleinbauende Energieversorgungssysteme,
die darüber
hinaus einen guten Wirkungsgrad aufweisen sollen.
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Die
Stromversorgungseinheit kann beispielsweise für eine Eingangsspannung im
Bereich von etwa 12 Volt bis etwa 42 Volt ausgelegt sein, so dass das
erfindungsgemäße Energieversorgungssystem zum
Einsatz innerhalb von Kraftfahrzeugen oder sonstigen Land- bzw.
Wasserfahrzeugen geeignet ist. Alternativ hierzu ist es auch möglich, die
Stromversorgungseinheit für
andere Eingangsspannungen wie beispielsweise 5 Volt oder 24 Volt
oder dergleichen auszulegen. Analog zu den bekannten Systemen kann
auch bei dem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem
eine primärseitige
Pufferung der Stromversorgungseinheit vorgesehen sein. Diese primärseitige
Pufferung trägt
im Gegensatz zu der erfindungsgemäßen sekundärseitigen Pufferung jedoch
weniger zur Stabilisierung der Ausgangsspannung als zur Sicherstellung
des ordnungsgemäßen Dauerbetriebs
der Stromversorgungseinheit auch bei Schwankungen der Eingangsspannung
bei.
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Bevorzugt
wird einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zufolge eine Parallelschaltung mehrerer
Kondensatoren in der Energiespeichereinheit vorgeschlagen, um einen
besonders widerstandsarmen und induktionsarmen Aufbau der Energiespeichereinheit
zu ermöglichen,
was die Eignung der erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit
insbesondere zur Pufferung von impulsartigen Belastungen weiter
steigert. Einerseits wird durch die Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren
der resultierende Innenwiderstand der Energiespeichereinheit herabgesetzt,
und in derselben Weise reduziert sich auch eine durch parasitäre Induktivitäten wie beispielsweise
Zuleitungsinduktivitäten
oder dergleichen gebildete resultierende Induktivität der Energiespeichereinheit.
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Weitere
Vorteile, Ausführungsformen
und Merkmale der Erfindung sind nachfolgend in der Figurenbeschreibung
mit Bezug auf die Zeichnung dargestellt, wobei
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1 eine
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems
zeigt,
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2 eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit
zeigt, und
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3 eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems zeigt.
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1 zeigt
ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 100.
Das Energieversorgungssystem 100 weist eine Stromversorgungseinheit 110 auf
sowie eine erfindungsgemäße Energiespeichereinheit 120.
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Der
Stromversorgungseinheit 110 wird an ihrem Eingang 110a eine
Eingangsspannung zugeführt,
bei der es sich beispielsweise um eine Bordnetzspannung eines Kraftfahrzeugs
von etwa 12 Volt handelt. Dieser Sachverhalt ist in 1 mit
dem gestrichelt gezeichneten Pfeil 101 symbolisiert.
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An
ihrem Ausgang 110b stellt die Stromversorgungseinheit 110 eine
Ausgangsspannung bereit, die größer ist
als die ihr an dem Eingang 110a zugeführte Eingangsspannung, beispielsweise
etwa 60 Volt. Diese Ausgangsspannung ist beispielsweise zur Versorgung
elektrischer Verbraucher wie beispielsweise eines Audiosignal-Verstärkers des
Kraftfahrzeugs (nicht gezeigt) vorgesehen. Der Anschluss eines derartigen
Verbrauchers ist in 1 symbolhaft durch den gestrichelt
gezeichneten Pfeil 102 angedeutet.
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Ebenfalls
an dem Ausgang 110b der Stromversorgungseinheit 110 angeschlossen
ist die Energiespeichereinheit 120, die auf diese Weise
von der Stromversorgungseinheit 110 mit elektrischer Energie
aufgeladen wird und bei Bedarf die Ausgangsspannung der Stromversorgungseinheit 110 puffert, um
einen unterbrechungsfreien Betrieb angeschlossener Verbraucher sicherzustellen.
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Besonders
vorteilhaft ist die Kapazität
C_E der Energiespeichereinheit
120 so dimensioniert, dass
gilt:
wobei E_n diejenige Energie
ist, die ein von der Energiespeichereinheit
120 zu versorgender
Verbraucher
102 in einer Sekunde aufnimmt, und wobei U_n der
Nennspannung der Energiespeichereinheit
120 bzw. der zu
puffernden Ausgangsspannung entspricht.
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Durch
die erfindungsgemäße Dimensionierung
ist sichergestellt, dass die unterschiedlichsten möglichen
Verbraucher hinreichend lange bei einer hinreichend großen Spannung
von der Energiespeichereinheit versorgbar sind.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen sekundärseitigen
Anordnung der Energiespeichereinheit 120 besteht darin,
dass die Energiespeichereinheit 120 elektrische Energie
zwischenspeichert bei einem Spannungsniveau, das der Ausgangsspannung
der Stromversorgungseinheit 110 entspricht und das dementsprechend
kompatibel ist zu einer Betriebsspannung eines Verbrauchers 102.
Im Gegensatz zu herkömmlichen
Energiespeichereinheiten, die bezüglich der Stromversorgungseinheit 110 primärseitig
angeordnet, das heißt
direkt mit dem Bordnetz 101 verbunden sind, kann die erfindungsgemäße Energiespeichereinheit 120 elektrische
Energie bei einem der Ausgangsspannung entsprechenden Spannungsniveau
unmittelbar bereitstellen und damit insbesondere auch impulsartige
Belastungen des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 100 seitens
des Verbrauchers 102 kompensieren. Eine herkömmliche,
primärseitige
Energiespeichereinheit kann nicht direkt die Ausgangsspannung der
Stromversorgungseinheit 110 abpuffern, da die herkömmliche
Energiespeichereinheit elektrische Energie nur bei dem der Eingangsspannung
entsprechenden Spannungsniveau bereithält und eine Umsetzung auf die
Ausgangsspannung durch die Stromversorgungseinheit 110 insbesondere
bei impulsartigen Strombelastungen durch den Verbraucher 102 nicht schnell
genug erfolgen kann.
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Das
heißt,
durch die erfindungsgemäße sekundärseitige
Anordnung der Energiespeichereinheit 120 wird insbesondere
vermieden, dass elektrische Energie zur Pufferung impulsartiger
Beaufschlagungen seitens eines Verbrauchers 102 zunächst durch die
Stromversorgungseinheit 110 von dem Eingangsspannungsniveau
in das Ausgangsspannungsniveau umgewandelt werden muss.
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Ergänzend zu
der erfindungsgemäßen sekundärseitigen
Energiespeichereinheit 120 kann jedoch auch eine primärseitige
Energiespeichereinheit (nicht gezeigt), wie sie aus dem Stand der
Technik bekannt ist, vorgesehen werden, um die Bordnetzspannung 101 zu
glätten
und einen sicheren Dauerbetrieb des Energieversorgungssystems 100 zu
gewährleisten.
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Besonders
vorteilhaft weist die Energiespeichereinheit 120 – wie in 1 durch
das Schaltsymbol eines Kondensators symbolisiert – einen
oder mehrere Elektrolytkondensatoren zur Speicherung elektrischer
Energie auf. Diese Elektrolytkondensatoren müssen bezüglich ihrer Nennspannung so
ausgelegt werden, dass sie zu der Ausgangsspannung der Stromversorgungseinheit 110 kompatibel
sind, die an dem Ausgang 110b der Stromversorgungseinheit 110 anliegt,
und die gleichzeitig der Nennspannung U_n der Energiespeichereinheit 120 entspricht. Alternativ
oder ergänzend
zu Elektrolytkondensatoren können
auch weitere Kondensatoren geeigneter Spannungsfestigkeit und Kapazität eingesetzt
werden. Beispielweise sind auch Folien- und/oder Keramik- und/oder Tantalkondensatoren
oder Kombinationen hieraus einsetzbar, insbesondere um das Entladeverhalten
in unterschiedlichen Frequenzbereichen wie z.B. innerhalb eines
Audiofrequenzbereichs zu optimieren.
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Insbesondere
kann es auch zweckmäßig sein,
verschiedene Kondensatoren mit unterschiedlichen äquivalenten
Serienwiderständen
(ESR, Equivalent Serial Resistance) bzw. Innenwiderständen vorzusehen,
die dementsprechend jeweils unterschiedliche Entladezeitkonstanten
und somit unterschiedlich schnelle Reaktionen auf eine impulsartige Strombelastung
bereitstellen.
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Eine
Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren ist auch deshalb vorteilhaft,
weil sich hierdurch der resultierende Serienwiderstand beziehungsweise die
resultierende Induktivität
der entsprechenden Schaltungsanordnung weiter verringert und sich dementsprechend
die Impulsbelastbarkeit der Energiespeichereinheit 120 weiter
verbessert.
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Neben
der Umwandlung einer an dem Eingang 110a anliegenden Eingangsspannung
in eine unipolare Ausgangsspannung ist es auch möglich, an dem Ausgang 110b der
Stromversorgungseinheit 110 eine bipolare Ausgangsspannung
bereitzustellen. In diesem Fall ist die erfindungsgemäße Energiespeichereinheit 120 ebenfalls
bipolar auszulegen.
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Die
Stromversorgungseinheit 110 des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 100 kann
ganz besonders vorteilhaft als Schaltnetzteil ausgebildet sein,
wobei sich ein besonders hoher Wirkungsgrad und eine verhältnismäßig kleinbauende
Anordnung ergeben.
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Insbesondere
für Kraftfahrzeuganwendungen
ist eine Ausbildung des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 100 derart
zweckmäßig, dass
die Stromversorgungseinheit 110 für eine Eingangsspannung von
etwa 12 Volt bzw. 42 Volt ausgelegt ist, und dass die Stromversorgungseinheit 110 eine
Ausgangsspannung von etwa 35 Volt bis etwa 40 Volt bzw. 60 Volt
oder mehr an ihrem Ausgang 110b bereitstellt.
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2 zeigt
ein weiteres schematisches Blockschaltbild, das die erfindungsgemäße Energiespeichereinheit 120 näher darstellt.
Wie aus 2 ersichtlich, weist die Energiespeichereinheit 120 eine Ladeeinheit 130 auf,
die zwischen einen mit dem Ausgang 110b (1)
der Stromversorgungseinrichtung 110 verbundenen Verbraucher 102 und
eine Kondensatorbank C geschaltet ist.
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Die
Ladeeinheit 130 ist dazu vorgesehen und derart konfiguriert,
dass sie die Kondensatorbank C der erfindungsgemäßen Energiespeichereinheit 120 kontrolliert
auflädt,
entlädt
und auch überwacht.
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Besonders
vorteilhaft weist die Ladeeinheit 130 hierzu eine in 2 symbolisch
dargestellte Komparatorschaltung 131 auf, die eine Ladespannung,
auf die die Energiespeichereinheit 120 beziehungsweise
deren Kondensatorbank C aufgeladen ist, mit der Ausgangsspannung
der Stromversorgungseinheit 110 (1) vergleicht.
Aus diesem Spannungsvergleich wird in der Ladeeinheit 130 ermittelt,
ob ein Aufladen oder ein Entladen der Kondensatorbank C erforderlich
ist.
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Beispielsweise
ist die Ladeeinheit 130 so konfiguriert, dass Sie die Energiespeichereinheit 120 beziehungsweise
deren Kondensatorbank C in einer vorgebbaren Ladezeit und/oder mit
einem vorgebbaren Ladestrom auflädt,
wenn die Ladespannung der Energiespeichereinheit 120 eine
vorgebbare minimale Ladespannung unterschreitet.
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Dieser
Fall kann beispielsweise während
des Betriebs des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 100 auftreten,
wenn ein mit der Energiespeichereinheit 120 verbundener
Verbraucher 102 (1) der Kondensatorbank
C der Energiespeichereinheit 120 so viel elektrische Ladung
entnommen hat, dass die Ladespannung der Kondensatorbank C entsprechend
abgesunken ist.
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Ein
weiterer Fall, in dem die Ladespannung der Kondensatorbank C der
Energiespeichereinheit 120 einen vorgebbaren Wert beziehungsweise
die vorgebbare minimale Ladespannung unterschreitet, besteht darin,
dass das erfindungsgemäße Energieversorgungssystem 100 erst
vor kurzem aktiviert worden ist, und dass die Kondensatorbank C
seither noch nicht aufgeladen worden ist.
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In
beiden Fällen
steuert die Ladeeinheit 130 in an sich bekannter Weise
einen Aufladevorgang der Kondensatorbank C, wobei der entsprechende
Ladestrom durch einen geeignet gewählten Vorwiderstand (nicht
gezeigt) begrenzt wird.
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Es
ist ferner denkbar, je nach Aufladesituation unterschiedliche Vorwiderstände zur
Steuerung beziehungsweise Begrenzung des Aufladestroms auszuwählen. Der
Einsatz eines Feldeffekttransistors als steuerbarer Widerstand ist
ebenfalls denkbar.
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Beispielsweise
ist es besonders vorteilhaft, zum erneuten Aufladen der Kondensatorbank
C während
eines Betriebs des Energieversorgungssystems 100 einen
größeren Ladestrom
zuzulassen als zum erstmaligen Aufladen der Kondensatorbank C direkt nach
der Aktivierung des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 100.
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Die
erfindungsgemäße Ladeeinheit 130 ist ferner
so konfiguriert, dass sie die Energiespeichereinheit 120 beziehungsweise
deren Kondensatorbank C innerhalb einer vorgebbaren Zeit und/oder
mit einem vorgebbaren Entladestrom entlädt, wenn die Ausgangsspannung
der Stromversorgungseinheit 110 (1) während einer
vorgebbaren Wartezeit die Ladespannung der Energiespeichereinheit 120 um
eine vorgebbare Differenzspannung unterschreitet.
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In
diesem Fall wird darauf geschlossen, dass das Energieversorgungssystem 100 deaktiviert
worden ist und dementsprechend die Stromversorgungseinheit 110 an
ihrem Ausgang 110b nicht mehr die nominelle Ausgangsspannung
bereitstellt. Ein weiterer Fall, in dem das kontrollierte Entladen
der Kondensatorbank C durch die Ladeeinheit 130 zweckmäßig ist,
ist dann gegeben, wenn die Stromversorgungseinheit 110 auf
Grund eines Defekts eine geringere Ausgangsspannung an ihrem Ausgang 110b liefert.
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Alle
diese Situationen werden durch die Komparatorschaltung 131 der
erfindungsgemäßen Ladeeinheit 130 erkannt,
ohne dass hierzu separate Steuerleitungen zwischen den Komponenten 110, 120, 130 vorzusehen
sind. Daher ist es mit dem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem 100 vorteilhaft
möglich,
dass eine elektrische Verbindung zwischen der Stromversorgungseinheit 110 und
der Ladeeinheit 130 im Falle einer unipolaren Ausgangsspannung
lediglich zwei Leiter und im Falle einer bipolaren Ausgangsspannung
lediglich drei Leiter aufweist, wodurch eine flexiblere Anordnung
der entsprechenden Komponenten und ein einfacherer Anschluss gegeben
ist.
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Um
das unbeabsichtigte Entladen der Energiespeichereinheit 120 durch
eine deaktivierte Stromversorgungseinheit 110 zu vermeiden,
kann an dem Ausgang 110b eine Diode (nicht gezeigt) oder eine
vergleichbare Schaltung vorgesehen sein, die zwar einen Stromfluss
von der Stromversorgungseinheit 110 in die Energiespeichereinheit 120 bzw.
in den Verbraucher 102 sowie einen Stromfluss von der Energiespeichereinheit 120 in
den Verbraucher 102 zulässt,
nicht aber einen Stromfluss von der Energiespeichereinheit 120 in
die Stromversorgungseinheit 110.
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Die
erfindungsgemäße Energiespeichereinheit 120 bzw.
deren Kondensatorbank C kann auch mit einem oder mehreren nicht
gezeigten Halbleiterschaltern versehen sein, um wahlweise eine Verbindung
bzw. Trennung zwischen der Energiespeichereinheit 120 bzw.
der Kondensatorbank C und den weiteren Komponenten 130, 110b zu
ermöglichen. Andere
Schalter, z.B. Relais, sind ebenfalls einsetzbar.
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Besonders
vorteilhaft weist die erfindungsgemäße Energiespeichereinheit 120 eine
eigene, vorzugsweise integrierte, Hilfsstromversorgung auf, die
eine Betriebsspannung für
die Logik der Ladeeinheit 130 bereitstellt. Eine Speisung
der Hilfsstromversorgung aus der in der Kondensatorbank C gespeicherten
elektrischen Energie ist möglich.
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Um
einen besonders niedrigen Innenwiderstand R_i zu ermöglichen,
weist die erfindungsgemäße Energiespeichereinheit 120 bevorzugt
eine Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren auf.
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Bei
einer ganz besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung gilt für
den Innenwiderstand R_i der Energiespeichereinheit
120:
wobei P_n die Nennleistung
angibt, mit der der Verbraucher
102 von der Energiespeichereinheit
120 versorgbar
ist, und wobei U_n die Nennspannung der Energiespeichereinheit
120 ist,
die bei geeigneter Abstimmung der Komponenten
110,
120 aufeinander auch
der Ausgangsspannung der Stromversorgungseinheit
110 entspricht.
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Besonders
vorteilhaft weist der Innenwiderstand R_i den angegebenen Wert für einen
Frequenzbereich von etwa 10 Hz bis etwa 40 kHz auf, so dass insbesondere
Audiosignal-Verstärker
optimal durch die erfindungsgemäße Energiespeichereinheit 120 versorgbar
sind.
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Durch
die integrierte Ladeeinheit 130 mit der vorstehend beschriebenen
umfassenden Funktionalität
kann die erfindungsgemäße Energiespeichereinheit 120 auch
als autarke Einheit mit jeweils unterschiedlichen Stromversorgungseinheiten 110 verbunden
werden, um deren Ausgangsspannung zu Puffern, d.h. eine sekundärseitige
Stabilisierung dieser unterschiedlichen Stromversorgungseinheiten 110 zu
bieten.
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Neben
einer erfindungsgemäß dimensionierten
Energiespeichereinheit 120 kann bei dem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem 100 auch
eine anders dimensionierte sekundärseitige Energiespeichereinheit
(nicht gezeigt) eingesetzt werden, solange die Kapazität dieser
Energiespeichereinheit hinreichend groß gewählt ist. Beispielsweise kann
die Kapazität
der sekundärseitigen
Energiespeichereinheit etwa 10000 μF oder mehr betragen.
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3 zeigt
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 100,
bei dem die Stromversorgungseinheit 110 an ihrem Ausgang,
vgl. die Anschlüsse
+HV, -HV, eine bipolare Ausgangsspannung bereitstellt. Als Eingangsspannung
steht der Stromversorgungseinheit 110 z.B. eine Spannung
von etwa 12 Volt zwischen den Anschlüssen +NV, -NV zur Verfügung, die beispielsweise
von einem Bordnetz eines Kraftfahrzeugs stammt.
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Das
Energieversorgungssystem 100 gemäß 3 weist
eine Energiespeichereinheit 120 auf, die zur Pufferung
der bipolaren Ausgangsspannung der Stromversorgungseinheit 110 ausgebildet
ist. Dieser Sachverhalt ist in 3 durch
die beiden nicht näher bezeichneten
Kondensator-Schaltsymbole in der Energiespeichereinheit 120 veranschaulicht,
die an einem Massepunkt miteinander verbunden sind.
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Wie
bereits beschrieben, weist die Energiespeichereinheit 120 eine
Ladeeinheit 130 auf, die u.a. auf die abgebildeten Schalter
der Energiespeichereinheit 120 wirken kann, um die Energiespeichereinheit 120 von
den Anschlüssen 102a, 102b zu
trennen bzw. mit diesen zu verbinden. Ansonsten kann die in 3 abgebildete
Ladeeinheit 130 dieselbe Funktionalität aufweisen wie die unter Bezugnahme
auf 2 beschriebene Ladeeinheit 130.
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Über die
Anschlüsse 102a, 102b ist
ein symbolisch abgebildeter Verbraucher RLast mit zugehörigem Verstärker an
die Stromversorgungseinheit 110 und an die Energiespeichereinheit 120 des
erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems 100 angeschlossen.
