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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung zur Stabilisierung einer Spannung eines Energiespeichers gegen vorübergehend erhöhte Leistungsaufnahme eines Netzes. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Stabilisierung einer Spannung eines Energiespeichers gegen vorübergehend erhöhte Leistungsaufnahme eines Netzes mittels einer solchen Schaltung.
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Im Stand der Technik sind verschiedene Schaltungen bekannt, mittels welcher eine vorübergehend erhöhte Leistungsaufnahme eines Netzes, insbesondere eines Pkw-Bordnetzes, durch Freigabe zusätzlicher Energieressourcen „abgefedert“ werden kann. Ist eine primäre Energiequelle innerhalb des Pkw-Bordnetzes (z.B. Akkumulator) nicht im Stande, einen erhöhten Energiebedarf (beispielsweise durch Betätigen des Anlassers für den Verbrennungsmotor) zu stillen, ohne einen erheblichen Einbruch in der Versorgungsspannung zu erleiden, können zusätzliche Energiespeicher entladen werden, um den erhöhten Energiebedarf zu decken bzw. die erhöhte Leistungsaufnahme innerhalb des Netzes zu kompensieren. Insbesondere im Falle von Gleichstrom-gespeisten Netzen bietet es sich hierbei an, parallel zur primären Energieversorgung des Netzes beispielsweise Kapazitäten vorzusehen, welche sich bei einem Abfallen der Versorgungsspannung automatisch entladen. Des Weiteren ist bekannt, im Falle besonders hoher Leistungsaufnahmen durch das Bordnetz eines PKW Trennmittel in der Masseleitung der Batterie zu öffnen und den Spannungsabfall durch Betätigen des Starters somit nicht auf die übrigen Verbraucher des Bordnetzes übergreifen zu lassen. Dieses Konzept erfordert jedoch eine potentialfreie Ansteuerung der elektronischen Schalter, welche den hohen Strömen entsprechend dimensioniert werden müssen.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile des Standes der Technik zu beheben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorstehend genannten Aufgaben werden gelöst durch eine elektrische Schaltung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1. Die elektrische Schaltung zur Stabilisierung einer Spannung eines ersten Energiespeichers gegen vorübergehend erhöhte Leistungsaufnahme eines Netzes umfasst hierfür einen ersten Schalter, welcher über einen ersten Anschluss mit dem Pluspol des ersten Energiespeichers verbindbar ist. Dabei kann der erste Energiespeicher insbesondere ein Akkumulator („Fahrzeugbatterie“) eines Pkw sein, der für eine erhöhte Leistungsaufnahme im Zuge eines Startvorgangs der Verbrennungsmaschine stabilisiert werden soll. Selbstverständlich ist jedoch auch eine andere Ursache für eine erhöhte Leistungsaufnahme denkbar, wie beispielsweise Hinzuschalten des Klimaanlagen-Kompressors, eines Aggregates zur Ladedruckerhöhung („Kompressor“) oder auch der elektrische Antriebsmotor eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs. Der erste Schalter kann beispielsweise als Halbleiterschalter und/oder als Relais ausgeführt sein. Dabei ist der erste Anschluss des ersten Schalters mit dem Pluspol des ersten Energiespeichers (der Fahrzeugbatterie) verbindbar. Mit anderen Worten ist die erfindungsgemäße elektrische Schaltung eingerichtet, mit einem Energiespeicher verbunden zu werden, welcher selbst nicht notwendiges Merkmal des erfindungsgemäßen Gegenstands ist. Des Weiteren umfasst die erfindungsgemäße elektrische Schaltung einen zweiten Schalter, welcher zwischen einem zweiten Anschluss des ersten Schalters und der elektrischen Masse (z.B. „Fahrzeug-Chassis“) angeordnet sein kann. Auch der zweite Schalter kann als Halbleiterschalter oder als Relais ausgeführt sein und ist ebenso wie der erste Schalter hinsichtlich der im Betrieb möglichen Schaltleistungen zu dimensionieren. Des Weiteren umfasst die erfindungsgemäße elektrische Schaltung einen Stabilisierungsspeicher mit einem ersten und einem zweiten Anschluss. Der Stabilisierungsspeicher kann beispielsweise als zweite Batterie (bzw. Akkumulator), als Elektrolyt-Kondensator („ELKO“) oder als Doppelschicht-Kondensator (DLC) ausgeführt sein.
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Grundsätzlich sind sämtliche, zur Speicherung elektrischer Energie bekannte Bauteile einsetzbar, die eine rasche Energieabgabe ermöglichen, wie sie beispielsweise bei einem Bordnetzspannungseinbruch im Zuge einer Pufferung eines Motorstarts in einem Kraftfahrzeug erforderlich ist. Des Weiteren umfasst die erfindungsgemäße elektrische Schaltung einen Zweipol zwischen dem ersten Anschluss des Stabilisierungsspeichers und dem ersten Anschluss des ersten Schalters, wobei der Zweipol eingerichtet ist, einen Stromfluss aus dem Stabilisierungsspeicher in Richtung des ersten Anschlusses des ersten Schalters zu unterbinden. Somit ist der Zweipol eingerichtet, eine Ladung des Stabilisierungsspeichers durch den ersten Energiespeicher zuzulassen, einen Rückstrom jedoch zu unterbinden. Hierzu kann der Zweipol beispielsweise eine Diode und/oder einen Schalter umfassen, wobei der Schalter eingerichtet sein kann, eine zwischen dem Zweipol und dem ersten Anschluss des Stabilisierungsspeichers gelegene Ausgangsklemme der elektrischen Schaltung vom Pluspol des ersten Energiespeichers zu trennen, wenn eine Pufferung der Ausgangsspannung des ersten Energiespeichers durch den Stabilisierungsspeicher erfolgt. Der zweite Anschluss des Stabilisierungsspeichers ist mit dem zweiten Anschluss des ersten Schalters verbunden. Somit ist der zweite Schalter eingerichtet, den zweiten Anschluss des Stabilisierungsspeichers von der elektrischen Masse bzw. vom Minuspol des ersten Energiespeichers zu trennen. Somit ist die elektrische Schaltung eingerichtet, in einem ersten Schaltzustand den zweiten Anschluss des Stabilisierungsspeichers über den ersten Schalter mit dem Pluspol des ersten Energiespeichers zu verbinden (Schaltzustand „Puffern“), und in einem zweiten Schaltzustand den zweiten Anschluss des Stabilisierungsspeichers durch Schließen des zweiten Schalters und Öffnen des ersten Schalters anstatt mit dem Pluspol des ersten Energiespeichers mit der elektrischen Masse zu verbinden, um den Stabilisierungsspeicher über den Zweipol mit elektrischer Energie aus dem ersten Energiespeicher zu versorgen (Schaltzustand „Laden“).
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise kann die elektrische Schaltung weiter einen Dämpfungszweig umfassen, welcher eine Erweiterung des zweiten Schalters darstellt. Zum zweiten Schalter, welcher zwischen dem zweiten Anschluss des ersten Schalters und der elektrischen Masse und/oder dem Minuspol des ersten Energiespeichers angeordnet ist, können in Reihe eine Induktivität und/oder ein Widerstand geschaltet werden. Bei Schließen des zweiten Schalters erfolgt die Ladung des Stabilisierungsspeichers somit über eine Last, welche den Ladungszustand verzögert und einen Spannungseinbruch aufgrund des Zuschaltens des Stabilisierungsspeichers an den ersten Energiespeicher verhindert. Alternativ oder zusätzlich kann eine elektrische Sicherung im Dämpfungszweig (Zweipol, umfassend den zweiten Speicher) vorgesehen werden. Somit kann ein zu hoher Ladestrom bzw. ein Defekt des Stabilisierungsspeichers und/oder des Widerstands bzw. der Induktivität abgesichert werden.
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Weiter bevorzugt kann die erfindungsgemäße elektrische Schaltung zwischen dem Zweipol und dem ersten Anschluss des Stabilisierungsspeichers eine Ausgangsklemme umfassen. Mit dieser Ausgangsklemme kann das sich an die erfindungsgemäße elektrische Schaltung anschließende Netz (z.B. Pkw-Bordnetz) anschließen und eine erfindungsgemäß stabilisierte Spannungsversorgung erfahren.
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Weiter bevorzugt kann die erfindungsgemäße elektrische Schaltung weiter einen dritten Schalter zwischen dem ersten Anschluss des Stabilisierungsspeichers und der Ausgangsklemme umfassen. Hierdurch kann der Ladevorgang des Stabilisierungsspeichers unterbrochen werden bzw. im Normalbetrieb der Stabilisierungsspeicher von der Spannungsversorgung durch den ersten Energiespeicher getrennt werden. Kriechströme und erhöhter Verschleiß innerhalb des Stabilisierungsspeichers bzw. ein Überladen desselben können durch Öffnen des dritten Schalters somit vermieden und im Falle eines Defektes des Stabilisierungsspeichers dieser gänzlich aus der Schaltung entfernt werden.
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Weiter bevorzugt kann der in der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung enthaltene Zweipol eine Diode und/oder einen Transistor umfassen, wobei der Transistor insbesondere als ein Metalloxidschicht-Feldeffekttransistor (MOSFET) ausgeführt sein kann. Während die Diode die grundlegende Funktion des Zweipols passiv, also ohne Steuersignale, ausführt, kann der Transistor in Abhängigkeit des gewählten Schaltzustandes („Puffern“ oder „Laden“) geschaltet werden, um die beim Laden des Stabilisierungsspeichers entstehenden Verluste, wie sie z.B. innerhalb einer Diode als Durchlassverluste anfallen würden, zu vermeiden. Eine mögliche Ansteuerung des Transistors innerhalb des Zweipols wäre das invertierte Steuersignal des ersten Schalters verwendbar. Mit anderen Worten wird der innerhalb des Zweipols angeordnete Transistor immer dann leitend geschaltet, wenn der erste Schalter geöffnet ist, und immer dann geöffnet, wenn der erste Schalter geschlossen wird.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Stabilisierung einer Spannung eines ersten Energiespeichers gegen vorübergehend erhöhte Leistungsaufnahme eines Netzes, insbesondere eines Pkw-Bordnetzes, mittels einer Schaltung, wie sie vorstehend beschrieben worden ist, zur Verfügung gestellt. Dabei umfasst das Verfahren einen Schritt des Stabilisierens der Ausgangsspannung des ersten Energiespeichers durch Öffnen des zweiten Schalters. Mit anderen Worten wird der geladene Stabilisierungsspeicher von der elektrischen Masse getrennt. Anschließend wird durch Schließen des ersten Schalters der zweite Anschluss des Stabilisierungsspeichers mit dem Pluspol des ersten Energiespeichers verbunden und somit die an der Ausgangsklemme der elektrischen Schaltung anliegende Spannung kurzzeitig um die Spannung des Stabilisierungsspeichers erhöht. Da nämlich der Stabilisierungsspeicher in Reihe zum ersten Energiespeicher geschaltet wird, addieren sich die zum Zeitpunkt des Schaltvorgangs deren Spannungen kurzfristig. Diese Überlegung vernachlässigt selbstverständlich die Spannungsabfälle an Innenwiderständen des ersten Energiespeichers und des Stabilisierungsspeichers durch erhöhte Stromentnahme aufgrund am Netz angeschlossener Verbraucher.
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Weiter bevorzugt umfasst das Verfahren den Schritt eines Ladens des Stabilisierungsspeichers durch Öffnen des ersten Schalters und Schließen des zweiten Schalters. Mit anderen Worten wird der erste Anschluss des Stabilisierungsspeichers über den Zweipol mit dem Pluspol des ersten Energiespeichers verbunden, der zweite Anschluss des Stabilisierungsspeichers (ggf. über den Dämpfungszweig) mit der elektrischen Masse verbunden und seine elektrische Verbindung zum Pluspol des ersten Energiespeichers getrennt. Infolgedessen wird der Stabilisierungsspeicher über den Zweipol und den zweiten Schalter bzw. den Dämpfungszweig geladen.
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Weiter bevorzugt kann der zweite Schalter den Ladevorgang durch ein periodisches Schließen und Öffnen steuern, indem der zweite Schalter ein pulsweitemoduliertes Steuersignal empfängt und den Ladevorgang des Stabilisierungsspeichers somit verzögert. Dabei kann das Steuersignal zur Ansteuerung des zweiten Schalters eine feste, zeitunveränderliche Charakteristik aufweisen, andererseits jedoch auch die Ladeintervalle mit voranschreitender Zeit länger gestalten, um einerseits zu Beginn des Ladevorgangs des Stabilisierungsspeichers den Spannungseinbruch für das Netz abzuschwächen, andererseits den Ladevorgang mit zunehmendem „Füllstand“ des Stabilisierungsspeichers nicht unnötig in die Länge zu ziehen.
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Alternativ oder zusätzlich kann eine Betriebsgröße des Stabilisierungsspeichers erfasst werden und im Ansprechen auf die ermittelte Betriebsgröße die Pulsweite des pulsweitenmodulierten Signals gesteuert werden. Mit anderen Worten kann der Ladungszustand in Form der Spannung über dem Stabilisierungsspeicher bzw. dessen Ladestrom ermittelt werden und die Pulsweite des pulsweitenmodulierten Steuersignals, welches den zweiten Schalter steuert, an dieses angepasst werden, um den Ladungsvorgang einerseits ohne unnötigen Spannungseinbruch aufgrund des Zuschaltens des Stabilisierungsspeichers durchzuführen, andererseits den Ladungsvorgang nicht unnötig in die Länge zu ziehen.
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Selbstverständlich kann die Ansteuerung des zweiten Schalters zur Gestaltung des Ladungsvorgangs so erfolgen, dass eine vordefinierte maximale Energiemenge innerhalb des Stabilisierungsspeichers nicht überschritten wird. Zum Beispiel kann der Ladungsvorgang bei Erreichen eines gewünschten Spannungsniveaus (z.B. 5 V bzw. je nach Batteriezustand auch größer 5 V) unterbrochen oder beendet werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben. In den Zeichnungen ist:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung in einem ersten Schaltzustand („Laden“), und
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2 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung in einem zweiten Schaltzustand („Puffern“).
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Schaltung 1, welche an einen ersten elektrischen Energiespeicher 2 angeschlossen ist, in einem ersten Schaltzustand, in welchem der Stabilisierungsspeicher 3 geladen wird. Dabei lädt der erste elektrische Energiespeicher 2 über eine Diode 10 als Zweipol und einen geschlossenen dritten Schalter 8 sowie über einen Dämpfungszweig 7, welcher eine Induktivität 9, einen zur Induktivität 9 in Reihe geschalteten zweiten Schalter 6 sowie eine zum zweiten Schalter 6 in Reihe geschaltete Sicherung 11 aufweist, den Stabilisierungsspeicher 3. Hierbei ist der erste Schalter 4 geöffnet.
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2 zeigt das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung 1 in einem zweiten Schaltzustand („Puffern“). Im Ansprechen auf einen erhöhten Leistungsbedarf durch Zuschalten eines Starters bzw. eines Generators 5, welcher parallel zur Batterie 2 geschaltet ist, wird der zweite Schalter 6 geöffnet und der erste Schalter 4 geschlossen. Sofern der dritte Schalter 8 nach einem vollständigen Ladevorgang geöffnet worden ist, wird dieser nun ebenfalls geschlossen. Somit liegt der zweite (im Bild untere) Anschluss des Stabilisierungsspeichers 3 am Pluspol der Batterie 2, wodurch der Spannungseinbruch über der Batterie 2 hinsichtlich der Ausgangsklemme 13 zumindest teilweise kompensiert wird. Mit anderen Worten wird dem Bordnetz die im Stabilisierungsspeicher 3 gespeicherte Energie zusätzlich zur der Batterie 2 verbleibenden Klemmenspannung beim Motorstart zuteil. Hierbei verhindert die Diode 10 einen Kurzschluss des Stabilisierungsspeichers 3. Ist der Startvorgang vorüber bzw. das Puffervermögen des Stabilisierungsspeichers 3 erschöpft, so kann die Schaltung entweder durch Öffnen des dritten Schalters 8 ein weiteres Entladen (Tiefentladen) des Stabilisierungsspeichers 3 verhindern oder in den in 1 gezeigten Zustand („Laden“) zurückkehren, indem der dritte Schalter 8 und der zweite Schalter 6 geschlossen werden und der erste Schalter 4 geöffnet wird. Hierbei verzögern die Induktivität 9 und eine gegebenenfalls als Steuersignal auf den zweiten Schalter 6 pulsweitenmodulierte Spannung den Ladevorgang, so dass nicht das Laden des Stabilisierungsspeichers 3 seinerseits zu einem unerwünschten Einbrechen der Versorgungsspannung der Batterie 2 führt.
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Auch wenn die erfindungsgemäßen Aspekte und ihre Merkmale vorstehend im Detail erläutert worden sind, bleiben Modifikationen und Kombinationen der offenbarten Merkmale im Belieben des Fachmanns sowie im Bereich der vorliegenden Erfindung, deren Schutzbereich durch die beigefügten Ansprüche definiert wird.
