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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug, ein System und ein
Verfahren zum Versorgen eines Fahrzeugs mit Energie.
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Hybrid-Elektrofahrzeuge
und Brennstoffzellenfahrzeuge können
ein elektrisches Energiespeichersystem verwenden, um das Fahrzeug
mit elektrischer Energie zu versorgen und vom Fahrzeug beispielsweise
während
eines Bremsvorgangs erzeugte elektrische Energie aufzunehmen.
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Ein
Hochspannungsbatteriesystem ist ein Beispiel für eines dieser elektrischen
Energiespeichersysteme. Ein Hochspannungsbatteriesystem kann eine
Anzahl von in Reihe geschalteten Energiespeichereinheiten oder -modulen
umfassen. Jedes Modul kann eine oder mehrere in Reihe geschaltete Energiespeicherzellen
oder Batterien umfassen.
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Aufgrund
der in Reihe geschalteten Batterien und Module wird die Leistung
einer Hochspannungsbatterie im Allgemeinen durch die Leistung der
Batterie mit der niedrigsten Spannung beschränkt. Aus diesem Grund werden
die in einem derartigen Hochspannungsbatteriesystem verwendeten
Batterien im Allgemeinen so ausgewählt, dass ihre Spannungen ungefähr gleich
sind, z.B. mit Abweichungen von lediglich einigen Millivolt. Eine
derartige Auswahl ermöglicht
es dem Hochspannungsbatteriesystem ohne Einschränkungen durch die Batterie
mit der niedrigsten Spannung zu arbeiten.
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Wenn
ein Hochspannungsbatteriesystem verschiedenen Stromstärken und
Temperaturbedingungen ausgesetzt worden ist, können die Batteriespannungen
voneinander abweichen. Diese Spannungsabweichungen können die
Leistung des Hochspannungsbatteriesystems beeinträchtigen
und somit die gesamte Fahrzeugleistung und Wirtschaftlichkeit beim
Kraftstoffverbrauch beeinflussen.
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Temperaturschwankungen
zwischen den Batterien können
ebenfalls die Leistung des Hochspannungsbatteriesystems und damit
die Leistung des Fahrzeugs beeinträchtigen. Einige Ausführungen
von Hochspannungsbatteriesystemen versuchen, die Temperaturdifferenzen
zu minimieren, indem die Module dicht beieinander platziert werden, um
die Temperaturregelung zu vereinfachen. Diese Strategie kann jedoch
die Möglichkeiten
bezüglich des
Designs und der Unterbringung beschränken.
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Wenn
eine Batterie eines Hochspannungsbatteriesystems nicht mehr funktionsfähig ist,
kann das Fahrzeug fahruntauglich werden oder seine Leistung kann
erheblich reduziert werden, bis eine Austauschbatterie eingebaut
wird.
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Das
Rekonditionieren eines Hochspannungsbatteriesystems erfordert im
Allgemeinen, dass das gesamte System auf beispielsweise ungefähr 100%
des Ladezustands aufgeladen, auf ungefähr 10% des Ladezustands entladen
und dann erneut auf ungefähr
50% des Ladezustands geladen wird. Dieses Vorgehen macht den Memory-Effekt
der Batterien rückgängig und
reduziert die Abweichungen von Spannung und Ladezustand zwischen
den einzelnen Batterien. Durch die Reihenschaltung der Batterien
und Module wird die Effektivität
dieses Rekonditioniervorgangs während
des Entladens durch die schwächste
Batterie, d.h. die Batterie mit dem niedrigsten Ladezustand, und
während
des Hufladens durch die stärkste
Batterie, d.h. die Batterie mit dem höchsten Ladezustand, eingeschränkt. Das
Rekonditionieren eines Hochspannungsbatteriesystems kann nicht während des
Betriebs des Fahrzeugs durchgeführt
werden. Das Rekonditionieren eines Hochspannungsbatteriesystems
findet typischerweise in einer Fahrzeugservice-Werkstatt statt.
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Hintergrundinformationen
zur Erfindung bzw. deren Problemstellung können den US-Patenten 5,710,504,
5,931,245, 6,281,662 B1 und 6,801,014 B1 und den US-Patentanmeldungen
2005/0029987 A1 und 2005/0077875 A1 entnommen werden..
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Von
daher liegt der Erfindung das Problem zugrunde, ein Energieversorgungssystem,
das man mit Energiespeichereinheiten mit unterschiedlichen Spannungen
und Temperaturen betreiben, das Spannungs- und Temperaturabweichungen
korrigieren kann und das weiterhin Energie liefern kann, wenn eine
Energiespeichereinheit funktionsunfähig ist; dabei soll eine Energiespeichereinheit
während des
Betriebs des Fahrzeugs rekonditioniert werden können.
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Das
Problem wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale der Ansprüche
1 11 und 16. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die
Erfindung stellt ein Energieversorgungssystem für ein Fahrzeug zur Verfügung, das
eine elektrische Systemanordnung aufweist, die zum Aufnehmen und
Ausgeben von elektrischer Energie ausgebildet ist. Das Energieversorgungssystem
umfasst erste und zweite Energiespeichereinheiten. Jede der Einheiten
ist in der Lage, elektrische Energie aufzunehmen und zu speichern.
Jede der Einheiten ist weiter in der Lage, elektrische Energie abzugeben.
Das Energieversorgungssystem umfasst auch einen mit der ersten und
der zweiten Energiespeichereinheit und der elektrischen Systemanordnung
verbundenen elektrischen Wandler. Die erste und die zweite Energiespeichereinheit
sind in einem elektrischen Schaltkreis so mit dem Wandler verbunden,
dass die erste und die zweite Energiespeichereinheit parallel zueinander
und zu dem Wandler geschaltet werden können. Der Wandler hat die Funktion,
Energie von der ersten und der zweiten Energiespeichereinheit aufzunehmen.
Der Wandler hat weiter die Funktion, einen Transfer der von der
ersten und der zweiten Energiespeichereinheit erhaltenen Energie
zu der elektrischen Systemanordnung zu vereinfachen. Das Energieversorgungssystem
umfasst weiter ein mit dem Wandler in Verbindung stehendes, mindestens
eine Steuereinrichtung umfassendes Steuersystem. Das Steuersystem
ist so ausgebildet, dass es Informationen ermittelt, die sich auf
jeweils mindestens ein Betriebsmerkmal der ersten und der zweiten
Energiespeichereinheit beziehen. Das Steuersystem ist weiterhin
so ausgebildet, dass es die von der ersten und von der zweiten Energiespeichereinheit übertragene Energie
mindestens teilweise in Abhängigkeit
von dem jeweils mindestens einen Betriebsmerkmal steuert.
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Der
Wandler kann so ausgebildet sein, dass er einen Energietransfer
von der ersten Energiespeichereinheit zu der elektrischen Systemanordnung unabhängig von
einem Energietransfer von der zweiten Energiespeichereinheit zu
der elektrischen Systemanordnung vereinfacht.
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Eine
Funktion des Wandlers kann darin bestehen, dass er einen Energietransfer
von der ersten und der zweiten Energiespeichereinheit zu der elektrischen
Systemanordnung verhindert.
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Eine
Funktion des Wandlers kann auch darin bestehen, dass er einen Energietransfer
von der ersten Energiespeichereinheit zu der elektrischen Systemanordnung
vereinfacht, während
er einen Energietransfer von der zweiten Energiespeichereinheit zu
der elektrischen Systemanordnung verhindert.
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Eine
weitere Funktion des Wandlers kann darin bestehen, dass er einen
im Wesentlichen gleichzeitigen Energietransfer von der ersten und
der zweiten Energiespeichereinheit zu der elektrischen Systemanordnung
vereinfacht.
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Das
Steuersystem kann so ausgebildet sein, dass die Menge der von der
ersten und von der zweiten Energiespeichereinheit übertragenen
Energie so gesteuert wird, dass sich die von der ersten Energiespeichereinheit übertragene
Energiemenge von der von der zweiten Energiespeichereinheit übertragenen
Energiemenge unterscheidet.
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Eine
Funktion des Wandlers kann darin bestehen, dass er Energie von der
elektrischen Systemanordnung aufnimmt und einen Transfer der von der elektrischen
Systemanordnung erhaltenen Energie zu der ersten und zu der zweiten
Energiespeichereinheit vereinfacht.
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Das
Steuersystem kann so ausgebildet sein, dass es die von der ersten
und von der zweiten Energiespeichereinheit übertragene Energiemenge mindestens
teilweise in Abhängigkeit
von dem jeweils mindestens einen Betriebsmerkmal steuert.
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Das
jeweils mindestens eine Betriebsmerkmal kann eine ermittelte Spannung
der ersten und der zweiten Energiespeichereinrichtung umfassen.
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Das
Steuersystem kann so ausgebildet sein, dass es die von der ersten
und von der zweiten Energiespeichereinheit übertragene Energiemenge auf der
Basis der ermittelten Spannungen steuert.
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Das
Energieversorgungssystem kann eine dritte Energiespeichereinheit
in dem elektrischen Schaltkreis umfassen, die parallel zu dem Wandler und
parallel zu entweder einer der ersten oder zweiten oder beiden Energiespeichereinrichtungen
geschaltet werden kann.
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Der
Wandler kann so ausgebildet sein, dass ein Transfer von mindestens
einem Teil der von der elektrischen Systemanordnung erhaltenen Energie zu
der dritten Energiespeichereinheit vereinfacht wird, wenn die Energiemenge,
die der Wandler von der elektrischen Systemanordnung erhalten hat,
einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
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Sowohl
die erste als auch die zweite Energiespeichereinheit kann eine jeweilige
Nennspannung aufweisen.
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Die
erste und die zweite Energiespeichereinheit können unterschiedliche Nennspannungen
aufweisen.
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Die
Betriebsmerkmale können
mindestens eine Spannung oder eine Temperatur oder einen Ladezustand
umfassen.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Fahrzeug mit einem Energieversorgungssystem
bereit, das mindestens einen mit einem elektrischen Bus verbundenen
elektrischen Verbraucher umfasst. Das Energieversorgungssystem umfasst
eine Anzahl Batteriemodule. Jedes der Batteriemodule umfasst mindestens
eine Batteriezelle. Das Energieversorgungssystem umfasst weiter
einen elektrischen Wandler, der mit dem elektrischen Bus und den
Batteriemodulen verbunden ist. Der Wandler hat die Funktion, Energie
von jedem der Batteriemodule zu dem elektrischen Bus zu übertragen.
Das Energieversorgungssystem umfasst weiter ein Steuersystem, das
mit dem Wandler in Verbindung steht und mindestens eine Steuereinrichtung
aufweist. Das Steuersystem ist so ausgebildet, dass es Informationen
ermittelt, die sich auf mindestens jeweils ein Betriebsmerkmal jedes
Batteriemoduls beziehen. Das Steuersystem ist ferner so ausgebildet,
dass es die von jedem der Batteriemodule übertragene Energie mindestens
teilweise in Abhängigkeit
von dem jeweils mindestens einen Betriebsmerkmal selbständig steuert.
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Die
Batteriemodule können
in einem elektrischen Schaltkreis so mit dem Wandler verbunden sein,
dass die Batteriemodule parallel zueinander und parallel zu dem
Wandler geschaltet werden können.
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Das
Fahrzeug kann eine mit dem elektrischen Bus verbundene elektrische
Maschine umfassen. Die elektrische Maschine kann die Funktion haben,
elektrische Energie an den elektrischen Bus abzugeben.
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Der
Wandler kann die Funktion haben, Energie von dem elektrischen Bus
aufzunehmen und einen Transfer der von dem elektrischen Bus erhaltenen
Energie zu mindestens einem der Batteriemodule zu vereinfachen.
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Das
Steuersystem kann so ausgebildet sein, dass es die zu dem mindestens
einen Batteriemodul übertragene
Energiemenge mindestens teilweise in Abhängigkeit von dem jeweils mindestens
einen Betriebsmerkmal steuert.
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Das
Betriebsmerkmal kann mindestens einen Ladezustand, eine Spannung
oder eine Temperatur umfassen.
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Das
Energieversorgungssystem kann einen Kondensator umfassen, der mit
dem Wandler und mindestens einem der Batteriemodule in einem elektrischen
Schaltkreis so verbunden ist, dass der Kondensator parallel zu dem
Wandler und dem mindestens einen Batteriemodul geschaltet werden
kann.
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Das
Steuersystem kann so ausgebildet sein, dass es ermittelt, ob die
Energie, die der Wandler von dem elektrischen Bus erhalten hat,
einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
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Der
Wandler kann die Funktion haben, einen Transfer von mindestens einem
Teil der von dem elektrischen Bus erhaltenen Energie zu dem Kondensator
zu vereinfachen, wenn die Energie, die der Wandler von dem elektrischen
Bus erhalten hat, den vorbestimmten Schwellenwert übersteigt.
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Die
Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Energieversorgung eines
Fahrzeugs bereit, das erste und zweite Energiespeichereinheiten
und eine zum Aufnehmen und Abgeben elektrischer Energie ausgelegte
elektrische Systemanordnung umfasst. Das Verfahren umfasst das Überwachen
von mindestens jeweils einem Betriebsmerkmal der ersten und der zweiten
Energiespeichereinheit. Das Verfahren umfasst weiter einen selektiven
Energietransfer von der ersten Energiespeichereinheit zu der elektrischen Systemanordnung
und einen selektiven Energietransfer von der zweiten Energiespeichereinheit
zu der elektrischen Systemanordnung. Das Verfahren umfasst ferner
das Steuern des selektiven Energietransfers sowohl von der ersten
als auch von der zweiten Energiespeichereinheit mindestens teilweise in
Abhängigkeit
von dem jeweils mindestens einen Betriebsmerkmal.
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Das
Verfahren kann umfassen, dass bestimmt wird, ob das mindestens eine
Betriebsmerkmal eine vorbestimmte Bedingung erfüllt.
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Das
mindestens eine Betriebsmerkmal kann mindestens einen Ladezustand,
eine Spannung oder eine Temperatur umfassen.
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Die
vorbestimmte Bedingung kann mindestens einen Bereich von Ladezuständen oder
einen Spannungsbereich oder einen Temperaturbereich umfassen.
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Das
Verfahren kann das Reduzieren der Menge der selektiv von der ersten
Energiespeichereinheit zu der elektrischen Systemanordnung übertragenen
Energie, wenn der Ladezustand der ersten Energiespeichereinheit
nicht innerhalb des Bereichs der Ladezustände liegt, umfassen.
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Das
Verfahren kann das Bestimmen, ob die elektrische Systemanordnung
elektrische Energie abgibt, umfassen.
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Das
Verfahren kann das selektive Übertragen
von mindestens einem Teil der von der elektrischen Systemanordnung
an die erste Energiespeichereinheit abgegebenen Energie umfassen,
wenn die elektrische Systemanordnung elektrische Energie abgibt.
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Die
selektiv von der ersten Energiespeichereinheit zu der elektrischen
Systemanordnung übertragene
Energiemenge kann im Allgemeinen kleiner als die von der zweiten
Energiespeichereinheit zu der elektrischen Systemanordnung übertragene
Energiemenge sein.
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Die
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung stellen eine unabhängige Steuerung des Stroms,
der in der Energieversorgungseinrichtung von oder zu jeder der Energiespeichereinheiten
fließen
kann, ein Überbrücken von
funktionsunfähigen Energiespeichereinheiten
bei gleichzeitiger fortgesetzter Energiezufuhr für den Fahrzeugbetrieb und Unterbringungsalternativen
für die
Energiespeichereinheiten in einem Fahrzeug zur Verfügung.
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Eine
Ausführungsform
eines mit einem elektrischen Wandler in Verbindung stehenden Steuersystems
kann so ausgebildet sein, dass es die Spannung, den Ladezustand
oder die Temperatur jeder Energiespeichereinheit des Energieversorgungssystems
bestimmt.
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Eine
Ausführungsform
des elektrischen Wandlers ermöglicht
das individuelle Fließen
von Strom zu und von jeder der Energiespeichereinheiten auf der
Basis von Spannung, Ladezustand oder Temperatur jeder Energiespeichereinheit
des Energieversorgungssystems.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ermöglicht
eine unabhängige
Steuerung für
jede der Energiespeichereinheiten in Abhängigkeit von der Temperatur
der Energiespeichereinheit das Unterbringen der Energiespeichereinheiten
an Orten innerhalb des Fahrzeugs, die unterschiedliche Temperaturmerkmale
haben.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ermöglicht
eine unabhängige
Steuerung für
jede der Energiespeichereinheiten in Abhängigkeit von der Spannung oder
des Ladezustands eine effiziente Verwendung von Energiespeichereinheiten
mit unterschiedlichen Spannungen und folglich unterschiedlichen
Größen für das Energieversorgungssystem.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
der Erfindung kann eine Energiespeichereinheit als "Ersatzteil" vorgesehen und an
einem Platz innerhalb des Fahrzeugs untergebracht werden, der einen
einfachen Austausch ermöglicht.
Diese Einheit kann im Vergleich zu den anderen Energiespeichereinheiten verhältnismäßig höheren Stromstärken ausgesetzt werden.
Mit diesen verhältnismäßig höheren Stromstärken hat
das "Ersatzteil" zwar eine geringere
Haltbarkeit, jedoch wird die Nutzungsdauer der anderen Energiespeichereinheiten
verlängert.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung bestimmt das Steuersystem die Spannung jeder Energiespeichereinheit
des Energieversorgungssystems, wenn das Fahrzeug gestartet wird. Auf
der Basis dieser Spannungen reguliert das Energieversorgungssystem
den von jeder der Energiespeichereinheiten gezogenen Strom, so dass
bei der Einheit mit der niedrigsten gespeicherten Energiemenge,
d.h. der schwächsten
Einheit, eine verringerte Stromentnahme erfolgt, während bei
der Energiespeichereinheit mit der höchsten gespeicherten Energiemenge,
d.h. der stärksten
Einheit, eine erhöhte Stromentnahme
erfolgt. Bei anderen Energiespeichereinheiten erfolgt eine Stromentnahme,
die zwischen derjenigen der schwächsten
und der stärksten Energiespeichereinheit
liegt.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung teilt der elektrische Wandler den von einer elektrischen Maschine
erhaltenen Strom bei einem Bremsvorgang des Fahrzeugs, d.h. wenn
eine Energieaufladung erfolgt, so, dass die schwächste Energiespeichereinheit
die höchste
Stromzufuhr erhält, während die
stärkste
Energiespeichereinheit die niedrigste Stromzufuhr erhält. Andere
Energiespeichereinheiten erhalten eine Stromzufuhr, die irgendwo
zwischen der höchsten
und der niedrigsten Stromzufuhr liegt.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung überbrückt das
Energieversorgungssystem für
den Fall, dass die Spannung einer Energiespeichereinheit nicht innerhalb
eines gewünschten
Bereichs gehalten werden kann, d.h., dass eine Einheit funktionsunfähig wird,
diese Energiespeichereinheit und erhöht die Stromzufuhr von den
restlichen Energiespeichereinheiten, um den fortgesetzten Betrieb
des Fahrzeugs zu unterstützen.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung umfasst das Energieversorgungssystem einen elektrisch
mit einem elektrischen Wandler verbundenen Kondensator. Während eines
Energieaufladevorgangs, z.B. während
einer Notbremsung, fängt
der Kondensator Stromspitzen auf, die von einer elektrischen Maschine
erzeugt werden und die von den Energiespeichereinheiten nicht aufgenommen
werden können.
Diese Strategie fängt
regenerierende Energie auf, während
die Gefahr einer Überladung
der Energiespeichereinheiten reduziert wird.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ermöglicht
das Energieversorgungssystem, dass ein einziger Strom jede Energiespeichereinheit
während des
Betriebs des Fahrzeugs separat rekonditioniert. Dieses Vorgehen
verbessert die Effektivität
des Rekonditionierungsvorgangs, da es die Auswirkungen der schwächsten und
der stärksten
Energiespeichereinheit auf den Rekonditionierungsvorgang reduziert.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung umfasst ein Energieversorgungssystem ein Steuersystem
und Energiespeichereinheiten.
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Das
Steuersystem ermittelt die Spannung und den Ladezustand jeder Energiespeichereinheit. Das
Steuersystem stellt dann fest, ob der Ladezustand jeder Energiespeichereinheit
in einen vorbestimmten Bereich von Ladezuständen fällt.
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Wenn
der Ladezustand bei einer bestimmten Energiespeichereinheit in den
vorbestimmten Bereich von Ladezuständen fällt, wird die Stärke des Stroms,
der dieser Energiespeichereinheit entnommen oder zugeführt wird,
von dem Steuersystem nicht eingestellt.
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Wenn
der Ladezustand bei einer bestimmten Energiespeichereinheit nicht
in den vorbestimmten Bereich von Ladezuständen fällt, wird die Stärke des Stroms,
der dieser Energiespeichereinheit entnommen oder zugeführt wird,
von dem Steuersystem eingestellt, um den Ladezustand so zu ändern, dass
er in den vorbestimmten Bereich von Ladezuständen fällt.
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Nachdem
die Stromstärke
eingestellt wurde, stellt das Steuersystem für diese Energiespeichereinheit
fest, ob der Ladezustand in den vorbestimmten Bereich von Ladezuständen fällt. Wenn
der Ladezustand in den vorbestimmten Bereich von Ladezuständen fällt, wird
die Stärke
des Stroms, der dieser Energiespeichereinheit entnommen oder zugeführt wird,
von dem Steuersystem nicht eingestellt. Wenn der Ladezustand nicht
in den vorbestimmten Bereich von Ladezuständen fällt, wird die Stärke des
Stroms, der dieser Energiespeichereinheit entnommen oder zugeführt wird,
von dem Steuersystem eingestellt, um den Ladezustand so zu ändern, dass
er in den vorbestimmten Bereich von Ladezuständen fällt.
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Das
Steuersystem stellt die Stromstärke
für eine
bestimmte Energiespeichereinheit bis zu einer begrenzten Anzahl
von Versuchen, z.B. fünf
(5) mal ein, um den Ladezustand so zu ändern, dass er in den vorbestimmten
Bereich von Ladezuständen
fällt. Wenn
der Ladezustand nach fünf
(5) Versuchen nicht in den vorbestimmten Bereich von Ladezuständen fällt, stellt
das Steuersystem eine zulässige
Spannung und somit den den anderen Energiespeichereinheiten entnommenen
oder zugeführten
Strom ein. Die zulässige
Spannung kann für
jede Energiespeichereinheit unterschiedlich sein. Das Steuersystem speichert
dann die Information, dass die Energiespeichereinheit einer Wartung
unterzogen werden muss.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung umfasst ein Energieversorgungssystem ein Steuersystem,
einen elektrischen Wandler, Energiespeichereinheiten und einen Kondensator.
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Das
Steuersystem ermittelt die Spannung und den Ladezustand jeder Energiespeichereinheit. Das
Steuersystem stellt dann fest, ob der Ladezustand jeder Energiespeichereinheit
in einem vorbestimmten Bereich von Ladezuständen fällt. Der vorbestimmte Bereich
von Ladezuständen
kann für
jede Energiespeichereinheit unterschiedlich sein. Das Steuersystem
stellt dann fest, ob die elektrische Maschine einen Strom erzeugt,
der dem elektrischen Wandler zugeführt wird und der die Stromverarbeitungskapazitäten der
Energiespeichereinheiten übersteigt.
Wenn der Strom die Stromverarbeitungskapazitäten der Energiespeichereinheiten übersteigt,
leitet der elektrische Wandler den größten Teil des von der elektrischen
Maschine erzeugten Stroms zu dem Kondensator. Der elektrische Wandler
teilt den restlichen Anteil des von der elektrischen Maschine erzeugten
Stroms unter den Energiespeichereinheiten auf.
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Anhand
einer schematischen Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
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1 ist
ein Blockdiagramm eines Systems gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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2 ist
ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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3 ist
ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, und
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4 ist
ein Ablaufdiagramm, das ein Verfahren gemäß einer dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Die 1 zeigt
ein Energieversorgungssystem 10 für ein Fahrzeug (nicht dargestellt).
Das Energieversorgungssystem 10 umfasst eine elektrische Systemanordnung 12,
einen elektrischen Wandler 14, erste und zweite Batteriemodule 16, 18 oder
Energiespeichereinheiten, einen Kondensator 20 und ein
Steuersystem 22. Die elektrische Systemanordnung 12 umfasst
einen elektrischen Bus 24, einen elektrischen Verbraucher 26 und
eine elektrische Maschine 28, wie beispielsweise einen
elektrischen Motor. Die elektrische Maschine 28 ist in
der Lage, dem elektrischen Bus 24 elektrische Energie zuzuführen. Die
Batteriemodule 16, 18 sind jeweils in der Lage, elektrische
Energie von dem elektrischen Wandler 14 aufzunehmen und
zu speichern. Die Batteriemodule 16, 18 sind ebenfalls
in der Lage, elektrische Energie an den elektrischen Wandler 14 abzugeben.
Bei der Ausführungsform
der 1 sind zwei Batteriemodule 16, 18 vorgesehen.
Es kann jedoch jede beliebige Anzahl von Batteriemodulen verwendet
werden. Jedes der Batteriemodule 16, 18 hat eine
einzelne Batteriezelle 19. Die Nennspannungen der Batteriemodule 16 und 18 sind
somit ungefähr
gleich. Die Batteriemodule 16, 18 können jedoch
eine unterschiedliche Anzahl von Batteriezellen 19 umfassen
und damit unterschiedliche Nennspannungen aufweisen. Beispielsweise
kann das Batteriemodul 16 drei (3) Batteriezellen 19 umfassen,
während
das Batteriemodul 18 zwei (2) Batteriemodule 19 umfassen kann.
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Da
das Energieversorgungssystem 10 erlaubt, dass die Batteriemodule 16, 18 verschiedene Größen und
damit unterschiedliche Nennspannungen haben, bietet das Energieversorgungssystem 10 Flexibilität mit Bezug
auf die Auswahl und Unterbringung der Batteriezelle 19.
Der elektrische Wandler 14 ist mit den Batteriemodulen 16, 18 und
der elektrischen Systemanordnung 12 in einem elektrischen Schaltkreis
verbunden, so dass die Batteriemodule 16, 18 mit
Bezug auf die elektrische Systemanordnung 12 parallel zueinander
und zu dem elektrischen Wandler 14 geschaltet werden können.
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In
Abhängigkeit
von dem Zustand von elektrischen Schaltern 30, 31 und 34, 36 können die
Batteriemodule 16, 18 parallel zueinander und
zu dem elektrischen Wandler 14 geschaltet sein oder nicht. Wenn
beispielsweise der Schalter 30 geschlossen ist und die
Schalter 32, 34 und 36 offen sind, ist
das Batteriemodul 16 mit Bezug auf die elektrische Systemanordnung 12 parallel
zu dem elektrischen Wandler 14 geschaltet. Wenn die Schalter 30 und 34 geschlossen
sind und die Schalter 32 und 36 offen sind, sind die
Batteriemodule 16, 18 mit Bezug auf die elektrische
Systemanordnung 12 parallel zueinander und zu dem elektrischen
Wandler 14 geschaltet. Der elektrische Wandler 14 vereinfacht
den unabhängigen Transfer
der von den Batteriemodulen 16 und 18 erhaltenen
Energie oder des Stroms an die elektrische Systemanordnung 12,
indem die Schalter 30, 32 und 34, 36 selektiv
geschaltet werden. Die Schalter 30, 32 und 34, 36 werden
mit einer Frequenz im Megahertzbereich (MHz), beispielsweise 5 MHz,
geschaltet. Wenn die elektrische Systemanordnung 12 beispielsweise
dem elektrischen Wandler 14 einen Verbraucher präsentiert,
kann der Schalter 32 geschlossen und der Schalter 30 geöffnet werden,
um zu ermöglichen,
dass ein Induktor 38 durch den Strom von dem Batteriemodul 16 aufgeladen
wird. Der Schalter 30 kann dann geschlossen und der Schalter 32 geöffnet werden,
um zu ermöglichen,
dass der Strom von dem Induktor 38 zu der elektrischen
Systemanordnung 12 fließt. Die Schalter 34, 36 können in ähnlicher
Weise geschaltet werden, um den Transfer des Stroms von dem Batteriemodul 18 zu
der elektrischen Systemanordnung 12 zu vereinfachen.
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Das
selektive Schalten der Schalter 30, 32 und 34, 36 des
elektrischen Wandlers 14 kann einen Transfer des Stroms
von dem ersten Batteriemodul 16 zu der elektrischen Systemanordnung 12 vereinfachen,
während
ein Transfer von dem zweiten Batteriemodul 18 zu der elektrischen
Systemanordnung 12 verhindert wird. Beispielsweise können die
Schalter 30, 32 wie oben beschrieben geschaltet
werden, um den Transfer von Strom von dem Batteriemodul 16 zu
der elektrischen Systemanordnung 12 zu vereinfachen, während die
Schalter 34, 36 geöffnet bleiben. Das selektive
Schalten der Schalter 30, 32, und 34, 36 kann
daher ebenfalls einen im Wesentlichen gleichzeitigen Energietransfer
von den Batteriemodulen 16, 18 zu der elektrischen
Systemanordnung 12 vereinfachen.
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Elektrische
Kontakte (nicht dargestellt) können
in den elektrischen Verbindungen zwischen den Batteriemodulen 16 und 18 sowie
dem elektrischen Wandler 14 vorgesehen sein, so dass beispielsweise kein
Strom zu oder von dem Batteriemodul 18 fließen kann,
wenn der dem Batteriemodul 18 zugeordnete elektrischen
Kontakt offen ist. Das Batteriemodul 18 kann somit umgangen
werden. Der elektrische Wandler 14 vereinfacht ebenfalls
den unabhängigen Transfer
des von der elektrischen Systemanordnung 12 erhaltenen
Stroms zu jedem der Batteriemodule 16, 18 durch
selektives Schalten der Schalter 30, 32 und 34, 36.
Wenn beispielsweise die elektrische Maschine 28 einen elektrischen
Strom an den elektrischen Bus 24 abgibt, kann der Schalter 30 geschlossen
und der Schalter 32 geöffnet
werden, so dass wenigstens ein Teil des von dem elektrischen Bus 24 kommenden
Stroms den Induktor 38 auflädt. Der Schalter 32 kann
dann geschlossen und der Schalter 30 geöffnet werden, um zu ermöglichen,
dass der Strom von dem Induktor 38 zu dem Batteriemodul 16 fließt. Die
Schalter 34, 36 können in ähnlicher Weise geschaltet werden,
um den Transfer von mindestens einem Teil des Stroms von dem elektrischen
Bus 24 zu dem Batteriemodul 18 zu erleichtern.
Das selektive Schalten der Schalter 30, 32 und 34, 36 des
elektrischen Wandlers kann somit einen Transfer von mindestens einem
Teil des Stroms von dem elektrischen Bus 24 zu einem oder
beiden Batteriemodulen 16, 18 vereinfachen.
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Bei
der beispielhaften Ausführungsform
der 1 ist der elektrische Wandler 14 mit
elektrischen Schaltern 30, 32 und 34, 36 sowie
Induktoren 38, 40 ausgestattet. Der elektrische
Wandler 14 kann jedoch auch mit Feldeffekttransistoren
oder anderen Komponenten ausgestattet sein, deren Arbeitsweise den
unabhängigen
Transfer von Strom zwischen den Batteriemodulen 16, 18 und
der elektrischen Systemanordnung 12 erleichtert.
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Der
Kondensator 20 oder die Energiespeichereinheit ist in der
Lage, von dem elektrischen Wandler 14 kommenden Strom aufzunehmen
und zu speichern. Der Kondensator 20 ist ebenfalls in der Lage
elektrische Energie an den elektrischen Wandler 14 abzugeben.
Der Kondensator 20 ist in einem elektrischen Schaltkreis
mit dem elektrischen Wandler 14 so verbunden, dass der
Kondensator 20 in der Lage ist, mit Bezug auf die elektrische
Systemanordnung 12 parallel zu dem elektrischen Wandler
geschaltet zu werden. Wenn der Schalter 42 geschlossen
und der Schalter 43 offen ist, ist der Kondensator 20 parallel
zu dem elektrischen Wandler 14 geschaltet.
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Der
elektrische Wandler 14 erleichtert den Transfer von mindestens
einem Teil des von der elektrischen Systemanordnung 12 erhaltenen
Stroms zu dem Kondensator 20 durch selektives Schalten
der Schalter 42, 43 mit einer Frequenz im Megahertzbereich,
z.B. 5 MHz. Wenn der Schalter 42 geschlossen und der Schalter 43 offen
ist, wird der Induktor 44 von mindestens einem Teil des
von der elektrischen Systemanordnung 12 erhaltenen Stroms
geladen. Wenn der Schalter 42 offen und der Schalter 43 geschlossen
ist, fließt
Strom von dem Induktor 44 zu dem Kondensator 20.
Der elektrische Wandler 14 umfasst einen Kondensator 45.
Der Kondensator 45 reduziert die Stromschwankungen.
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Das
Steuersystem 22 steht mit dem elektrischen Bus 24,
dem elektrischen Wandler 14 und den Batteriemodulen 16, 18 in
Verbindung. Das Steuersystem 22 umfasst eine Steuereinrichtung 46.
Bei der Ausführungsform
der 1 ist die Steuereinrichtung 46 innerhalb
des Steuersystems 22 angeordnet. Die Steuereinrichtung 46 kann
jedoch auch in dem elektrischen Wandler 14 oder an einer
anderen Stelle in dem Fahrzeug angeordnet sein. Die Steuereinrichtung 46 kann
auch aus mehreren Steuereinrichtungen (nicht dargestellt) bestehen,
die im Fahrzeug verteilt angeordnet sind. Das Steuersystem 22 ist
so ausgebildet, dass es die Schalter 30, 32, 34, 36 und 42 steuert.
Die Steuereinrichtung 46 steuert somit dem Strom, der zwischen
den Batteriemodulen 16, 18, dem Kondensator 20 und
der elektrischen Systemanordnung 12 fließt. Beispielsweise
kann die Steuereinrichtung 46 die Schalter 30, 32 und 34, 36 so
ansteuern, dass sich der von dem Batteriemodul 16 übertragene
Strom im Allgemeinen von dem von dem Batteriemodul 18 übertragene
Strom unterscheidet, z.B. niedriger ist. Diese Kontrollstrategie
kann die Haltbarkeit des Batteriemoduls 16 gegenüber der des
Batteriemoduls 18 verlängern.
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Das
Steuersystem 22 ist so ausgebildet, dass es Informationen
ermittelt, die sich auf mindestens jeweils ein Betriebsmerkmal des
Batteriemoduls 16 oder 18 beziehen. Die Betriebsmerkmale
können Ladezustand,
Spannung oder Temperatur umfassen. Das Steuersystem 22 ist
ebenfalls so ausgebildet, dass es bestimmt, ob die elektrische Systemanordnung 12 Strom
abgibt und ob der von der elektrischen Systemanordnung 12 abgegebene
Strom einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt. Wenn das Steuersystem 22 feststellt,
dass die Stromabgabe von der elektrischen Systemanordnung 12 den
vorbestimmten Schwellenwert übersteigt,
kann der elektrische Wandler 14 den Transfer von mindestens
einem Teil dieses Stroms zu dem Kondensator 20 vereinfachen,
wie oben beschrieben wurde. Das Steuersystem 22 ist weiter
so ausgebildet, dass es den zwischen den Batteriemodulen 16, 18 und
der elektrischen Systemanordnung 12 fließenden Strom
mindestens teilweise in Abhängigkeit
von den Betriebsmerkmalen selbständig
steuert. Beispielsweise kann das Steuersystem 22 den Ladezustand
des Batteriemoduls 16 bestimmen und dann entscheiden, ob der
Ladezustand innerhalb eines akzeptablen Bereichs von Ladezuständen liegt.
Wenn der Ladezustand unter dem akzeptablen Bereich von Ladezuständen liegt,
kann das Steuersystem 22 den Stromfluss von dem Batteriemodul 16 reduzieren
oder unterbinden, bis der Ladezustand in den akzeptablen Bereich
von Ladezuständen
fällt.
Wenn der Ladezustand über
dem akzeptablen Bereich von Ladezuständen liegt, kann das Steuersystem
den Stromfluss von dem Batteriemodul 16 auch erhöhen, bis
der Ladezustand in den akzeptablen Bereich fällt.
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Das
Energieversorgungssystem 10 kann die Batteriemodule 16, 18 selbständig rekonditionieren. Das
Steuersystem 22 kann den zwischen dem Batteriemodul 16 und
der elektrischen Systemanordnung 12 fließenden Strom über eine
Betätigung
der Schalter 30, 32 steuern, so dass das Batteriemodul 16 einen
ersten gewünschten
Ladezustand, beispielsweise 100%, dann einen zweiten gewünschten
Ladezustand, beispielsweise 10% und schließlich einen dritten gewünschten
Ladezustand, beispielsweise 50%, erreicht. Das Batteriemodul 18 kann
in ähnlicher
Weise rekonditioniert werden. Das Rekonditionieren des Batteriemoduls 16 oder 18 kann
während
des Betriebs des Fahrzeugs stattfinden. Wenn beispielsweise das
Batteriemodul 16 rekonditioniert wird, kann der Strombedarf
des elektrischen Systems 12 unter Verwendung der oben beschriebenen
Steuerverfahren durch das Batteriemodul 18 gedeckt werden.
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Die 2 ist
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Energieversorgung eines
Fahrzeugs, das erste und zweite Energiespeichereinheiten und eine elektrische
Systemanordnung zum Aufnehmen und Abgeben von elektrischer Energie
umfasst. In Block 48 überwacht
ein Energieversorgungssystem jeweils mindestens ein Betriebsmerkmal
sowohl der ersten als auch der zweiten Energiespeichereinheit. In Block 50 bestimmt
das Energieversorgungssystem, ob die elektrische Systemanordnung
elektrische Energie abgibt. Wenn die elektrische Systemanordnung elektrische
Energie abgibt, überträgt das Energieversorgungssystem
in Block 52 mindestens einen Teil der von der elektrischen
Systemanordnung abgegebenen Energie zu der ersten Energiespeichereinheit. Wenn
die elektrische Systemanordnung keine elektrische Energie abgibt, überträgt das Energieversorgungssystem
in Block 54 selektiv elektrische Energie von der ersten
Energiespeichereinheit zu der elektrischen Systemanordnung. In Block 56 überträgt das Energieversorgungssystem
selektiv Energie von der zweiten Energiespeichereinheit zu der elektrischen Systemanordnung.
In Block 58 steuert das Energieversorgungssystem den Energietransfer
sowohl von der ersten als auch von der zweiten Energiespeichereinheit
mindestens teilweise in Abhängigkeit
von dem jeweils mindestens einen Betriebsmerkmal.
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Die 3 ist
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Energieversorgung eines
Fahrzeugs, das erste und zweite Energiespeichereinheiten und eine elektrische
Systemanordnung zum Aufnehmen und Abgeben von elektrischer Energie
umfasst. In Block 60 überwacht
ein Energieversorgungssystem jeweils mindestens einen Wert für den Ladezustand
oder die Spannung oder die Temperatur sowohl der ersten als auch
der zweiten Energiespeichereinheit. In Block 62 überträgt das Energieversorgungssystem
selektiv Energie von der ersten Energiespeichereinheit zu der elektrischen
Systemanordnung. In Block 64 überträgt das Energieversorgungssystem
selektiv Energie von der zweiten Energiespeichereinheit zu der elektrischen
Systemanordnung. In Block 66 bestimmt das Energieversorgungssystem
ob der mindestens eine Wert für
Ladezustand, Spannung oder Temperatur sowohl der ersten als auch
der zweiten Energiespeichereinheit einem entsprechenden Bereich
für Ladezustand,
Spannungsbereich oder Temperaturbereich entspricht. Falls ja, wird
zyklisch gemäß Schritt 60 der
Ladezustand weiter überwacht.
Falls nein, reduziert in Block 68 das Energieversorgungssystem
die Menge der von der ersten Energiespeichereinheit zu der elektrischen
Systemanordnung übertragenen
Energie, wenn der Ladezustand der ersten Energiespeichereinheit
nicht innerhalb des Bereichs der Ladezustände liegt.
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Die 4 ist
ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Energieversorgung eines
Fahrzeugs, das erste und zweite Energiespeichereinheiten und eine elektrische
Systemanordnung zum Aufnehmen und Abgeben von elektrischer Energie
umfasst. In Block 70 überwacht
ein Energieversorgungssystem jeweils mindestens ein Betriebsmerkmal
sowohl der ersten als auch der zweiten Energiespeichereinheit. In Block 72 überträgt das Energieversorgungssystem selektiv
eine Energiemenge von der ersten Energiespeichereinheit zu der elektrischen
Systemanordnung, die im Allgemeinen kleiner als eine Energiemenge
ist, die selektiv von der zweiten Energiespeichereinheit zu der
elektrischen Systemanordnung übertragen
wird. In Block 74 steuert das Energieversorgungssystem
den Energietransfer sowohl von der ersten als auch von der zweiten
Energiespeichereinheit mindestens teilweise in Abhängigkeit
von dem jeweils mindestens einen Betriebsmerkmal und der Ablauf
wiederholt sich.
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Während die
beste Art zur Durchführung
der Erfindung genau beschrieben wurde, werden Fachleute auf dem
Gebiet, auf das sich diese Erfindung bezieht, verschiedene alternative
Anordnungen und Ausführungsformen
bei der praktischen Umsetzung der von den folgenden Ansprüchen definierten
Erfindung erkennen.