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Die
Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Kraftfahrzeug.
Das Bordnetz umfasst ein Primärsystem mit einem Generator
zum Erzeugen einer Primärspannung. Das Bordnetz umfasst
außerdem ein Sekundärsystem mit zumindest einem
Hochleistungsverbraucher und einem Energiespeicher. Ein Gleichspannungswandler
verbindet das Primärsystem mit dem Sekundärsystem
und wandelt die Primärspannung in eine Sekundärspannung
zum Aufladen des Energiespeichers und/oder zum Versorgen des Hochleistungsverbrauchers
um. Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Kraftfahrzeug
mit einem solchen Bordnetz sowie auf ein Verfahren zum Betreiben
eines Bordnetzes in einem Kraftfahrzeug.
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Die
Erfindung geht von einem Bordnetz aus dem Hause der Anmelderin aus,
wie es aus der
DE 10
2005 029 081 A1 bekannt ist. Bei diesem Bordnetz ist ein
Primärsystem durch eine Fahrzeugbatterie, einen Starter
für eine Brennkraftmaschine, einen Generator sowie zumindest
einen elektrischen Verbraucher gebildet. Die Parallelschaltung aus
diesen Komponenten ist über einen Gleichspannungswandler
(auch unter der Bezeichnung DC/DC-Wandler bekannt) mit einer Parallelschaltung
aus einem Doppelschichtkondensator und einem Hochleistungsverbraucher
verbunden. Der Doppelschichtkondensator und der Hochleistungsverbraucher
bilden insgesamt ein Sekundärsystem des Bordnetzes.
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Hochleistungsverbraucher
zeichnen sich bekanntlich dadurch aus, dass sie für eine
kurze Zeit sehr hohe Leistungen – meistens größer
als 2 kW – benötigen. Bei einem 14-Volt-Bordnetz
ist somit die Stromstärke des während des Betriebs
des Hochleistungsverbrauchers fließenden Stroms entsprechend sehr
hoch. Gerade aus diesem Grund werden Gleichspannungswandler eingesetzt,
die die Bordnetzspannung von zum Beispiel 14 V in eine Spannung
mit einer Amplitude von zum Beispiel 18 V umwandeln. Mit dieser
höheren Spannung wird dann – wie dies im Gegenstand
gemäß Druckschrift
DE 10 2005 029 081 A1 der
Fall ist – der Hochleistungsverbraucher versorgt. Durch
die Erhöhung der Amplitude der Spannung erniedrigt sich
bei vorgegebener Leistung gleichzeitig die Stromstärke
des über den Hochleistungsverbraucher fließenden
Stroms.
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Die
Doppelschichtkondensatoren finden jedoch ihre Grenzen in höheren
Spannungsbereichen. Doppelschichtkondensatoren müssen nämlich
unterhalb der so genannten Zersetzungsspannung betrieben werden;
bei Überschreiten der Zersetzungsspannung werden die Doppelschichtkondensatoren irreversibel
beschädigt. Mit der Zersetzungsspannung eines Doppelschichtkondensators
steigt gleichzeitig der für seine Herstellung erforderliche
Aufwand, wie auch die Kosten. Außerdem sind Doppelschichtkondensatoren
passive Bauelemente: Wird eine Spannung an einem Doppelschichtkondensator angelegt,
wird der Doppelschichtkondensator sofort aufgeladen, und es fließt
ein Strom großer Stromstärke. Der Gleichspannungswandler
wird belastet. Es bedarf zusätzlicher aufwändiger
Steuerungssysteme, um die Ladegeschwindigkeit und somit die Stromstärke
des während des Aufladens fließenden Stromes einstellen
zu können. Das rasche Aufladeverhalten eines Doppelschichtkondensators
kann zu Spannungseinbrüchen im Bordnetz führen.
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Darüber
hinaus stoßen die Doppelschichtkondensatoren an ihre Grenzen
in höheren Temperaturbereichen. Ein Doppelschichtkondensator
kann nämlich höchstens bis zu einer Temperatur
von etwa 70 bis 80°C betrieben werden. Insbesondere in
Kraftfahrzeugen, wo diese Temperaturgrenzen häufig überschritten
werden, müssen dann besondere Kühlmaßnahmen
getroffen werden. Dies ist mit spezifischen Kosten verbunden. Schließlich
ist die Lebensdauer von Doppelschichtkondensatoren beschränkt. Diese
wird maßgeblich durch solche Parameter, wie die Betriebsspannung
sowie die Betriebstemperatur bestimmt. Erhöht der Gleichspannungswandler
die Bordnetzspannung, so verringert sich entsprechend die Lebensdauer
des Doppelschichtkondensators.
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Somit
besteht eine besondere Herausforderung darin, bei einem Bordnetz
der eingangs genannten Gattung Maßnahmen zu treffen, die
einen zuverlässigen Betrieb des Bordnetzes gewährleisten, nämlich
insbesondere bezüglich der Temperaturfestigkeit, der Kosten,
der zulässigen Spannungsberei che, der Lebensdauer beziehungsweise
Alterung sowie in Bezug auf die Belastung des Gleichspannungswandlers.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung aufzuzeigen, wie
ein Hochleistungsverbraucher zuverlässig betrieben werden
kann, ohne das gesamte Bordnetz in seiner Funktion zu beeinträchtigen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bordnetz
mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 sowie
durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch
8 gelöst, wie auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen
gemäß Patentanspruch 9.
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Bei
dem Bordnetz der eingangs genannten Gattung ist vorgesehen, dass
der Energiespeicher ein Schwungradenergiespeicher ist. Gerade in
Verbindung mit dem Gleichspannungswandler erweist sich der Schwungradenergiespeicher
als besonders vorteilhaft: Der Gleichspannungswandler kann eine solche
Sekundärspannung bereitstellen, deren Amplitude deutlich
höher als die der Primärspannung ist. Die Amplitude
der Sekundärspannung wird hier durch eine Zersetzungsspannung,
wie sie bei einem Doppelschichtkondensator berücksichtigt
werden muss, nicht beschränkt. Somit kann die Amplitude der
Sekundärspannung beliebig erhöht werden, ohne Rücksicht
auf die Zersetzungsspannung nehmen zu müssen. Außerdem
ist es die Amplitude der Betriebsspannung, die in erster Linie die
Lebensdauer eines Doppelschichtkondensators bestimmt. Durch den Einsatz
des Schwungradenergiespeichers kann eine im Vergleich zum Doppelschichtkondensator
längere Lebensdauer des Bordnetzes erreicht werden, dies auch
bei höheren Amplituden der Sekundärspannung. Die über
den Hochleistungsverbraucher fließenden Ströme
können somit durch Erhöhung der Amplitude der
Sekundärspannung auf ein Minimum reduziert werden, ohne
die Lebensdauer des Schwungradenergiespeichers zu beeinflussen.
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Auch
die Temperaturfestigkeit des Schwungradenergiespeichers ist gegenüber
einem Doppelschichtkondensator viel höher. Ein Schwungradenergiespeicher
kann nämlich sogar bei Temperaturen bis 120°C
betrieben werden. Im Gegensatz zu einem Doppelschichtkondensator
beeinflusst die Temperatur die Lebensdauer des Schwungradenergiespeichers
nicht. Es kann somit auf zusätzliche Kühlmaßnahmen,
wie sie bei Doppelschichtkondensatoren eingesetzt werden müssen,
verzichtet werden. Dies macht auch die Gesamtkosten des Bordnetzes
geringer.
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Nicht
unerwähnt sollte ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen
Bordnetzes bleiben, nämlich dass die Geschwindigkeit des
Aufladens des Schwungradenergiespeichers und hierdurch die Stromspitzen
beim Aufladen des Schwungradenergiespeichers in bestimmtem Ausmaß eingestellt
werden können. Ein Schwungradenergiespeicher verfügt nämlich
in der Regel über einen Wechselrichter, mit dessen Hilfe
die Drehzahl des Schwungrades gesteuert werden kann. Die Drehzahl
des Schwungrades ist dabei proportional zur Frequenz der durch den Wechselrichter
bereitgestellten Wechselspannung. Durch entsprechende Ansteuerung
des Wechselrichters kann also die Ladezeit beziehungsweise die Ladegeschwindigkeit
des Schwungradenergiespeichers und hierdurch die beim Aufladen auftretenden Stromspitzen
variiert werden. Dies schont den Gleichspannungswandler, nämlich
insbesondere bei hohen Amplituden der Sekundärspannung.
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In
einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Gleichspannungswandler
einen Hochsetzsteller umfasst. Dann kann der Gleichspannungswandler
die Sekundärspannung mit einer Amplitude höher
als die Amplitude der Primärspannung bereitstellen. Hierdurch
kann der Schwungradenergiespeicher ebenfalls auf eine höhere
Betriebsspannung ausgelegt sein, und die Stromstärke des über
den Hochleistungsverbraucher fließenden Stroms und hierdurch
die Spannungseinbrüche können auf ein Minimum
reduziert werden.
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Den
Gleichspannungswandler kann eine Steuereinrichtung – zum
Beispiel ein Mikroprozessor – ansteuern. Die Steuereinrichtung
kann das Primärsystem während eines Betriebs des
Hochleistungsverbrauchers von dem Sekundärsystem mithilfe
des Gleichspannungswandlers entkoppeln, bevorzugt unter der Voraussetzung,
dass der Schwungradenergiespeicher mit Energie aufgeladen ist. Dann
wird der Hochleistungsverbraucher mit der im Schwungradenergiespeicher
gespeicherten Energie versorgt, und ein Spannungseinbruch im Primärsystem
wird vermieden. Dies stellt eine wesentliche Verbesserung des Bordnetzes
gemäß Druckschrift
DE 10 2005 029 081 A1 dar – dort
wird der Hochleistungsverbraucher unmittelbar mit der durch den
Gleichspannungswandler erzeugten Sekundärspannung versorgt.
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Unterschreitet
die im Schwungradenergiespeicher gespeicherte Energie einen vorbestimmten Grenzwert
oder liegt sie zu Beginn der Inbetriebnahme des Hochleistungsverbrauchers
unter diesem Grenzwert, so kann die Steuereinrichtung die Sekundärspannung
mithilfe des Gleichspannungswandlers bereitstellen, um den Hochleistungsverbraucher
zu versorgen. Dann wird sichergestellt, dass der Hochleistungsverbraucher
auch bei entladenem Schwungradenergiespeicher mit elektrischer Energie versorgt
wird und in seiner Funktion nicht beeinträchtigt wird.
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In
einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung
in einem Rekuperationsbetrieb die Sekundärspannung mithilfe
des Gleichspannungswandlers bereitstellt, um den Schwungradenergiespeicher
aufzuladen. Beim Rekuperieren kann zum Beispiel die beim Bremsen
des Kraftfahrzeugs oder im Schubbetrieb erzeugte kinetische Energie
in elektrische Energie umgewandelt und als Rotationsenergie im Schwungradenergiespeicher
gespeichert werden. Durch eine solche Vorgehensweise kann grundsätzlich
Kraftstoff gespart werden, da die im Schwungradenergiespeicher gespeicherte
Energie im Bordnetz wieder genutzt und der Generator entlastet werden
kann. Ein Rekuperationsbetrieb kann beispielsweise derart gestaltet
werden: Der Fahrer beschleunigt das Kraftfahrzeug in einem Stadtgebiet
im dritten Gang auf eine bestimmte Geschwindigkeit, zum Beispiel
auf 50 km/h. Der Fahrer lässt das Gaspedal los und betätigt
das Bremspedal, das Fahrzeug wird mithilfe eines Bremssystems gebremst.
In diesem Bremsbetrieb wird kein Kraftstoff verbraucht. Während
dieser Zeit erzeugt der Gleichspannungswandler die Sekundärspannung
mit einer Amplitude von 18 V. Somit kann der Schwungradenergiespeicher
aufgeladen werden. Diese im Schwungradenergiespeicher gespeicherte
Energie kann zu einem späteren Zeitpunkt für den
Betrieb des Hochleistungsverbrauchers genutzt oder auch – wie nachstehend
geschildert – in das Primärsystem eingespeist
werden.
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Es
ist sinnvoll möglich, die im Schwungradenergiespeicher
gespeicherte Energie dem Primärsystem zur Verfügung
zu stellen. In einer Ausführungsform ist der Gleichspannungswandler
ein bidirektionaler Wandler, das heißt er kann die Primärspannung
in die Sekundärspannung umwandeln und umgekehrt. Diese
Ausführungsform erweist sich insbesondere in einem Zugbetrieb
besonders vorteilhaft. Ein solcher Zugbetrieb kann sich an einen
jeden Rekuperationsbetrieb anschließen; im Zugbetrieb wird
die im Schwungradenergiespeicher während der Rekuperation
gespeicherte Energie an das Primärsystem abgegeben. Also
kann im Zugbetrieb der Generator entlastet werden, und es kann Kraftstoff
gespart werden. Im Anschluss auf das oben dargestellte Beispiel:
Lässt der Fahrer das Bremspedal los und betätigt
erneut das Gaspedal, beschleunigt das Fahrzeug wieder. Zu diesem
Zeitpunkt erfolgt ein Übergang von dem Rekuperationsbetrieb
in den Zugbetrieb, in welchem die Amplitude der durch den Generator
erzeugten Primärspannung reduziert werden kann. Die Steuereinrichtung
steuert nun den Gleichspannungswandler so, dass er die im Schwungradenergiespeicher
gespeicherte Energie an das Primärsystem überträgt.
Trotz der geringeren Amplitude der vom Generator erzeugten Primärspannung
können die im Primärsystem befindlichen Verbraucher
ordnungsgemäß funktionieren. Es kann somit Kraftstoff gespart
werden, da der Generator den Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs weniger
belastet.
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Zur
Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen
Bordnetz.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren dient zum Betreiben
eines Bordnetzes in einem Kraftfahrzeug. Ein Gleichspannungswandler
erzeugt aus einer Primärspannung, die durch einen Generator
erzeugt wird, eine Sekundärspannung, die ein Aufladen eines Energiespeichers
bewirkt. Als Energiespeicher wird ein Schwungradenergiespeicher
verwendet.
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Die
Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
näher erläutert, wie auch unter Bezugnahme auf
die Zeichnung. Die einzige Figur veranschaulicht in schematischer
Darstellung ein Bordnetz eines Personenkraftwagens nach einer Ausführungsform
der Erfindung.
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Ein
in der Figur dargestelltes Bordnetz 10 ist in einen Personenkraftwagen
eingebaut. Das Bordnetz 10 umfasst ein Primärsystem 12 sowie
ein Sekundärsystem 14. Im Primärsystem 12 befindet
sich eine Parallelschaltung aus einer Fahrzeugbatterie 16,
einem Starter 18 für eine Brennkraftmaschine,
einem Generator 20 sowie einem elektrischen Verbraucher 22.
Der elektrische Verbraucher 22 ist zum Beispiel ein Radio,
eine Heizung, eine Klimaanlage, eine Lampe oder dergleichen. Der
Generator 20 erzeugt während der Fahrt eine Primärspannung
UP, deren Amplitude in einem Normalbetrieb 14V beträgt. Mit
der Primärspannung UP wird der
elektrische Verbraucher 22 versorgt, wie auch weitere in
der Figur nicht dargestellte und parallel zum Verbraucher 22 geschaltete
Verbraucher.
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Somit
sind also die Fahrzeugbatterie 16, der Starter 18,
der Generator 20 und der Verbraucher 22 parallel
zueinander zwischen einem Primärpol 24 und einem
Bezugspotential 26 geschaltet.
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Das
Sekundärsystem 14 verfügt über
einen Hochleistungsverbraucher 28, welcher zwischen einem
Sekundärpol 30 und dem Bezugspotential 26 geschaltet
ist. Der Hochleistungsverbraucher 28 ist zum Beispiel ein
Elektromotor für ein Bremssystem oder auch ein Lenksystem
des Personenkraftwagens. Solche Elektromotoren zeichnen sich dadurch aus,
dass sie für kurze Zeit eine große Leistung benötigen,
nämlich über 2 kW.
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Parallel
zum Hochleistungsverbraucher 28, also zwischen dem Sekundärpol 30 und
dem Bezugspotential 26 ist ein Schwungradenergiespeicher 32 geschaltet.
Der Schwungradenergiespeicher 32 umfasst ein Schwungrad 34,
welches – wie in der Figur mit einem Pfeil 36 schematisch
angedeutet – drehbar gelagert ist. Um das Schwungrad 34 herum sind
eine Mehrzahl von Wicklungen – im Ausführungsbeispiel
drei Wicklungen 38 – angeordnet, die mit einem
Wechselrichter 40 gekoppelt sind. Mithilfe des Wechselrichters 40 kann
eine zwischen dem Sekundärpol 30 und dem Bezugspotential 26 anliegende
Sekundärspannung US in drei gegeneinander phasenverschobene
und jeweils an einer Wicklung 38 abfallende Wechselspannung
erzeugt werden. Die Wicklungen 38 erzeugen dann ein Drehfeld,
welches das Schwungrad 34 auf eine bestimmte Drehzahl beschleunigt.
Diese Drehzahl ist direkt von der Frequenz der durch den Wechselrichter 40 bereitgestellten
Wechselspannung abhängig. Dreht sich das Schwungrad 34,
kann die in den Wicklungen 38 induzierte Wechselspannung
wiederum mithilfe des Wechselrichters 40 in die Gleichspannung
US umgewandelt werden, und die im Schwungradenergiespeicher 32 gespeicherte
Rotationsenergie kann als elektrische Energie an dem Sekundärpol 30 entnommen werden.
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Ein
Gleichspannungswandler 42 koppelt, insbesondere verbindet
das Primärsystem 12 mit dem Sekundärsystem 14.
Der Gleichspannungswandler 42 ist ein bidirektionaler Wandler,
das heißt er kann sowohl die Primärspannung UP in die Sekundärspannung US als auch die Sekundärspannung
US in die Primärspannung UP umwandeln. Der Gleichspannungswandler 42 umfasst
einen Hochsetzsteller, mit welchem aus der Primärspannung
UP die Sekundärspannung US mit einer solchen Amplitude erzeugt werden
kann, die höher als die Amplitude der Primärspannung
UP ist. Zum Beispiel kann die Amplitude
der Sekundärspannung US in einem
Wertebereich von 14 V bis 42 V eingestellt werden. Im Ausführungsbeispiel
beträgt die Amplitude der Sekundärspannung US 18 V. Entsprechend ist auch der Schwungradenergiespeicher 32 zum
Betrieb mit einer Spannung von 18 V ausgebildet.
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Das
Bordnetz 10 umfasst außerdem einen Mikrocontroller 44,
welcher den Wechselrichter 40 sowie den Gleichspannungswandler 42 ansteuert, wie
auch die Amplitude der vom Generator 20 erzeugten Primärspannung
UP regelt.
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Nachfolgend
werden mögliche Betriebszustände des Bordnetzes 10 näher
erläutert:
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Normalbetrieb:
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Im
Normalbetrieb, also während der Fahrt, stellt der Generator 20 die
Primärspannung UP bereit. Mit dieser
Primärspannung UP wird der Verbraucher 22 versorgt,
wie auch andere im Primärsystem 12 vorhandene
Verbraucher. Im Normalbetrieb ist das Sekundärsystem 14 von
dem Primärsystem 12 entkoppelt, nämlich
mithilfe des Gleichspannungswandlers 42. Außerdem
ist im Normalbetrieb der Schwungradenergiespeicher 32 mit
Energie aufgeladen, das heißt das Schwungrad 34 dreht
sich. Im Normalbetrieb kann somit der Hochleistungsverbraucher 28 mit
der Energie aus dem Schwungradenergiespeicher 32 versorgt
werden, ohne die Energie aus dem Primärsystems 12 zu
verbrauchen. Wird der Hochleistungsverbraucher 28 in Betrieb
genommen, so bricht die Primärspannung UP nicht
ein.
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Ladebetrieb:
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Der
Normalbetrieb kann für eine kurze Zeit unterbrochen werden,
um den Schwungradenergiespeicher 32 aufzuladen. Dabei bleibt
der Generator 20 in Betrieb, er erzeugt die Primärspannung
UP. Der Gleichspannungswandler 42 erzeugt
im Ladebetrieb die Sekundärspannung US,
und der Mikrocontroller 44 steuert den Wechselrichter 40 so
an, dass der Schwungradenergiespeicher 32 aufgeladen wird.
Ist der Schwungradenergiespeicher 32 aufgeladen, wird das
Sekundärsystem 14 wieder von dem Primärsystem 12 entkoppelt.
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Rekuperation:
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Im
Rekuperationsbetrieb wird die kinetische Energie beim Bremsen und
während eines Schubbetriebs des Personenkraftwagens zurückgewonnen und
im Schwungradenergiespeicher 32 gespeichert. Beim Rekuperieren
wird kein Kraftstoff verbraucht, der Generator 20 erzeugt
die Primärspannung UP. Der Gleichspannungswandler 42 stellt
die Sekundärspannung US bereit,
welche das Aufladen des Schwungradenergiespeichers 32 bewirkt.
Also kann im Rekuperationsbetrieb der Schwungradenergiespeicher 32 beim
Bremsen sowie im Schubbetrieb aufgeladen werden, ohne den Kraftstoff
zu verbrauchen. Diese „kostenlos” gewonnene Energie
kann zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden.
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Zugbetrieb:
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An
den Rekuperationsbetrieb schließt sich unmittelbar ein
Zugbetrieb an. Im Zugbetrieb wird die im Rekuperationsbetrieb rückgewonnene
Energie an das Primärsystem 12 abgegeben, nämlich über
den bidirektionalen Gleichspannungswandler 42. Somit kann
der Generator 20 entlastet werden, ohne die Funktion des
Verbrauchers 22 zu beeinträchtigen. Da der Antriebsstrang
vom Generator 20 weniger belastet wird, kann im Zugbetrieb
Kraftstoff gespart werden.
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Insgesamt
wird also ein Bordnetz 10 geschaffen, welches aufgrund
des Einsatzes des Schwungradenergiespeichers 32 in Verbindung
mit dem Gleichspannungswandler 42 folgende Vorteile gegenüber
einem Bordnetz mit einem Doppelschichtkondensator aufweist:
- – Das Bordnetz kann bis zu einer Temperatur
von 120°C betrieben werden,
- – das Bordnetz kann mit hohen Sekundärspannungen
betrieben werden, ohne Rücksicht auf eine Zersetzungsspannung
sowie die Beeinflussung der Lebensdauer des Energiespeichers 32,
- – dadurch kann die Stromstärke des über
den Hochleistungsverbraucher 28 fließenden Stroms und
somit die Spannungseinbrüche im Bordnetz 10 auf
ein Minimum reduziert werden,
- – da der Schwungradenergiespeicher 32 über
den Wechselrichter 40 verfügt, kann die Geschwindigkeit
des Aufladens und somit die im Sekundärsystem 14 auftretenden
Stromspitzen variiert werden,
- – durch geringere Stromstärke des über
den Hochleistungsverbraucher 28 fließenden Stroms sowie
des beim Aufladen des Schwungradenergiespeichers 32 fließenden
Stroms wird der Gleichspannungswandler 42 weniger belastet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005029081
A1 [0002, 0003, 0013]