DE102012207372B4

DE102012207372B4 - Circuit arrangement and method for feeding energy into an energy store

Info

Publication number: DE102012207372B4
Application number: DE102012207372.8A
Authority: DE
Inventors: Joachim Neubert
Original assignee: Leoni Bordnetz Systeme GmbH
Current assignee: Leoni Bordnetz Systeme GmbH
Priority date: 2012-05-03
Filing date: 2012-05-03
Publication date: 2016-11-17
Anticipated expiration: 2032-05-04
Also published as: DE102012207372A1

Abstract

Elektrische Schaltungsanordnung zur Einspeisung von Energie aus einer Energiequelle (2) in einen Energiespeicher (BAT1) umfassend einen Schaltkreis (4), in dem die Energiequelle (2) und der Energiespeicher (BAT1) angeordnet sind, wobei weiterhin ein Tiefsetzsteller und ein Hochsetzsteller ausgebildet sind sowie eine Steuereinheit (10) zum bedarfsweisen Umschalten zwischen dem Tiefsetzsteller und dem Hochsetzsteller angeordnet ist und zwischen der Energiequelle (2) und dem Energiespeicher (BAT1) ein gemeinsamer Zwischenenergiespeicher (L1) sowohl für den Tiefsetzsteller als auch für den Hochsetzsteller angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Entladekreis (8) ausgebildet ist, der mit dem Schaltkreis (4) vor dem Zwischenspeicher (L1) und zwischen dem Energiespeicher (BAT1) und einem ersten Schaltelement (T1) verbunden ist, wobei über den Entladekreis (8) bei geschlossenem ersten Schaltelement (T1) ein Entladen des Zwischenenergiespeichers (L) und ein Beladen des Energiespeichers (BAT) erfolgt.Electrical circuit arrangement for feeding energy from an energy source (2) into an energy store (BAT1) comprising a circuit (4) in which the energy source (2) and the energy store (BAT1) are arranged, further comprising a step-down converter and a step-up converter and a control unit (10) for switching between the buck converter and the boost converter as required, and between the energy source (2) and the energy store (BAT1) a common intermediate energy store (L1) is arranged for both the buck converter and the boost converter, characterized in that a discharge circuit (8) is formed which is connected to the circuit (4) in front of the buffer store (L1) and between the energy store (BAT1) and a first switching element (T1), via the discharge circuit (8) when the first one is closed Switching element (T1) discharging the intermediate energy storage (L) and loading the energy storage rs (BAT).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Einspeisung von Energie aus einer Energiequelle insbesondere mit stark schwankender Quellenspannung in einen Energiespeicher mit Hilfe einer solchen Schaltungsanordnung.The invention relates to a circuit arrangement with the features of the preamble of claim 1 and a method for feeding energy from an energy source, in particular with strongly fluctuating source voltage in an energy storage device with the aid of such a circuit arrangement.

Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der US 2011/0127957 A1 zu entnehmen.Such a circuit arrangement is known from US 2011/0127957 A1 refer to.

Bei Energiequellen, deren ausgangsseitig bereitgestellte Spannung, nachfolgend als Quellenspannung bezeichnet, im zeitlichen Verlauf starken Schwankungen unterworfen ist, besteht allgemein das Problem, die von der Energiequelle bereitgestellte Energie mit möglichst hoher Effizienz in einen Energiespeicher einzuspeisen, insbesondere dann, wenn die Quellenspannung auch Spannungswerte kleiner der Spannung des Energiespeichers einnimmt.In the case of energy sources whose voltage provided on the output side, referred to below as source voltage, is subject to considerable fluctuations over time, there is generally the problem of feeding the energy provided by the energy source into an energy store with the greatest possible efficiency, in particular if the source voltage also reduces voltage values the voltage of the energy storage occupies.

Beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik werden im Rahmen von Spritsparmaßnahmen elektrische Energiegeneratoren als Energiequellen eingesetzt, die zusätzlich zu einer Lichtmaschine elektrische Energie bereitstellen. Als Energiequellen werden auch sogenannte thermoelektrische Generatoren (TEG) für ihren Einsatz in Kraftfahrzeug-Bordnetzen untersucht. Bei den TEG's wird unter Ausnutzung des sogenannten Seebeck-Effekts Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt. Voraussetzung hierfür ist, dass zwei Punkte eines elektrischen Leiters unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind, wobei in diesem Fall aufgrund des Seebeck-Effekts zwischen diesen beiden Punkten eine elektrische Spannung erzeugt wird. Aus der DE 10 2008 023 806 A1 ist ein Abgassystem mit einem Kraftfahrzeug mit einem thermoelektrischen Generator zu entnehmen.For example, in automotive technology electric energy generators are used as energy sources in the context of fuel economy measures, which provide electrical energy in addition to an alternator. As energy sources also so-called thermoelectric generators (TEG) are investigated for their use in motor vehicle electrical systems. In the TEG's heat energy is converted into electrical energy by utilizing the so-called Seebeck effect. The prerequisite for this is that two points of an electrical conductor are exposed to different temperatures, in which case an electric voltage is generated due to the Seebeck effect between these two points. From the DE 10 2008 023 806 A1 is to take an exhaust system with a motor vehicle with a thermoelectric generator.

Aufgrund der Ausnutzung beispielsweise der Abwärme im Abgassystem mit den stark schwankenden Temperaturen liefert der TEG an seinem Ausgang stark schwankende Spannungswerte. Diese vom TEG bereitgestellte Quellen- oder Generatorspannung kann dabei unter- oder auch oberhalb der Bordnetzspannung liegen, die von einer den Energiespeicher bildenden Kraftfahrzeug-Batterie festgelegt wird.Due to the utilization of, for example, the waste heat in the exhaust system with the strongly fluctuating temperatures of the TEG delivers at its output strongly fluctuating voltage values. This source or generator voltage provided by the TEG can be below or above the vehicle electrical system voltage which is determined by a motor vehicle battery forming the energy store.

Bei den TEG werden üblicherweise eine Vielzahl von einzelnen Zellen in Reihe und/oder parallel geschaltet, um eine geeignete Energieausbeute zu erreichen. Pro Zelle wird dabei beispielsweise eine Spannung von etwa 3 V pro 100 K Temperaturunterschied zwischen den beiden Punkten des elektrischen Leiters erreicht.In the TEG, a plurality of individual cells are usually connected in series and / or in parallel in order to achieve a suitable energy yield. For example, a voltage of about 3 V per 100 K temperature difference between the two points of the electrical conductor is achieved per cell.

Aufgrund der stark schwankenden Generatorspannung ist der schaltungstechnische Aufwand zum Einspeisen der von dem TEG bereitgestellten Energie in den Energiespeicher, insbesondere die Batterie oder allgemein in das (Kraftfahrzeugbord-)Netz mit Aufwand verbunden.Due to the greatly fluctuating generator voltage, the circuitry complexity for feeding the energy provided by the TEG into the energy store, in particular the battery or generally in the (vehicle vehicle) network, is complicated.

In der US 2011/0127957 A1 ist eine Schaltungsanordnung für ein Hybrid-Fahrzeug beschrieben, bei dem bei Bedarf ein von einem Motor angetriebener elektrischer Generator zugeschalten wird, über den mittels einer Schaltungsanordnung die Fahrzeugbatterie geladen wird.In the US 2011/0127957 A1 a circuit arrangement for a hybrid vehicle is described in which, if necessary, an engine-powered electric generator is switched on, via which the vehicle battery is charged by means of a circuit arrangement.

Aus der DE 10 2009 030 406 A1 ist darüber hinaus zusätzlich zu einem solchen Generator auch die Anbindung weiterer elektrischer Energiequellen in einem Fahrzeug zu entnehmen, welche Energie aus der Umgebung wie beispielsweise Sonneneinstrahlung, Temperatur etc. gewinnen. Unter anderem betrifft dies auch thermoelektrische Generatoren. Zu deren Anbindung an das Kraftfahrzeug Bordnetz sind für unterschiedliche Leistungsbereiche der Energiequellen unterschiedliche Einspeiseelemente, wie Wandler und Dioden eingesetzt werden.From the DE 10 2009 030 406 A1 In addition, in addition to such a generator, it is also possible to refer to the connection of further electrical energy sources in a vehicle, which energy from the environment such as solar radiation, temperature, etc. win. Among other things, this also applies to thermoelectric generators. For their connection to the motor vehicle electrical system different feed elements, such as converters and diodes are used for different power ranges of energy sources.

Schließlich ist aus der DE 10 2008 003 835 B3 eine Kraftfahrzeug-Spannungsversorgungsschaltung zu entnehmen, bei der in Abhängigkeit der vorhandenen Spannungen ein Aufwärtswandler oder ein Abwärtswandler eingesetzt werden.Finally, out of the DE 10 2008 003 835 B3 a motor vehicle power supply circuit can be seen in which, depending on the existing voltages, a boost converter or a buck converter are used.

Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfach ausgebildete, effiziente Schaltungsanordnung für derartige Energiequellen anzugeben, deren Ausgangsspannung stark variiert.Proceeding from this, the present invention seeks to provide a simple design, efficient circuitry for such energy sources whose output voltage varies greatly.

Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine elektrische Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach ist zur Einspeisung von Energie in einen Energiespeicher, insbesondere eine Batterie, ein Schaltkreis ausgebildet, in dem die Energiequelle, nachfolgend als Generator bezeichnet, und der Energiespeicher angeordnet sind. Um eine möglichst gleichbleibende, konstante Festspannung bei stark schwankender Quellen- oder Generatorspannung zu ermöglichen, umfasst die Schaltungsanordnung einen Zwei-Quadrantenregler mit einem Tiefsetzsteller und einen Hochsetzsteller, zwischen denen bedarfsabhängig umgeschaltet werden kann. Über den Tiefsetzsteller wird eine vom Generator bereitgestellte hohe Spannung, die oberhalb einer Umschaltspannung liegt, auf die gewünschte Sollspannung, insbesondere Batteriespannung eingeregelt. Umgekehrt wird mittels des Hochsetzstellers eine niedrige Spannung, die unterhalb der Umschaltspannung liegt, auf die gewünschte Sollspannung hochgeregelt. Als Energiespeicher wird nachfolgend von einer Batterie ausgegangen, wobei auch andere Energiespeicher möglich sind. Im Falle von Kraftfahrzeug-Bordnetzen liegt die Sollspannung daher bei typischerweise etwa bis zu 50 V, je nach Auslegung üblicherweise bei 12 V bzw. 48 V.The object is achieved according to the invention by an electrical circuit arrangement with the features of claim 1. Thereafter, for feeding energy into an energy store, in particular a battery, a circuit is formed in which the energy source, hereinafter referred to as a generator, and the energy storage are. In order to allow the most constant, constant fixed voltage at strongly fluctuating source or generator voltage, the circuit arrangement comprises a two-quadrant controller with a buck converter and a boost converter, between which can be switched depending on demand. About the buck converter is provided by the generator high voltage, which is above a switching voltage, adjusted to the desired voltage, in particular battery voltage. Conversely, by means of the boost converter, a low voltage, which is below the switching voltage, up-regulated to the desired voltage. As energy storage is subsequently assumed by a battery, with other energy storage are possible. In the case of motor vehicle electrical systems, the nominal voltage is therefore typically around 50 V, depending on the design usually at 12 V or 48 V.

Weiterhin umfasst die Schaltungsanordnung eine Steuereinheit, die in Abhängigkeit der vom Generator bereitgestellten Spannung einzelne elektronische Bauteile der Schaltungsanordnung geeignet ansteuert, so dass in Abhängigkeit der Generatorspannung der Hochsetzsteller bzw. Tiefsetzsteller aktiv ist. Insbesondere ist die Steuereinheit dabei derart ausgebildet, dass an der Batterie eine konstante Festspannung anliegt.Furthermore, the circuit arrangement comprises a control unit which, depending on the voltage provided by the generator, controls individual electronic components of the circuit arrangement so that the step-up converter or step-down converter is active as a function of the generator voltage. In particular, the control unit is designed such that a constant fixed voltage is applied to the battery.

Zwei-Quadrantenregler brauchen üblicherweise zwei Zwischenenergiespeicher. Bei der hier vorgestellten Schaltungsanordnung ist nunmehr vorgesehen, dass lediglich ein gemeinsamer Zwischenenergiespeicher sowohl für den Tiefsetzsteller als auch für den Hochsetzsteller in der Schaltungsanordnung angeordnet ist.Two-quadrant controllers typically require two intermediate energy stores. In the case of the circuit arrangement presented here, it is now provided that only a common intermediate energy store is arranged both for the step-down converter and for the step-up converter in the circuit arrangement.

Durch diese Maßnahme ist der schaltungstechnische Aufwand reduziert und gleichzeitig ein energieeffizientes Einspeisen der vom Generator bereitgestellten Energie erzielt.By this measure, the circuit complexity is reduced while achieving an energy-efficient feeding of the energy provided by the generator.

Ergänzend ist weiterhin ein Entladekreis ausgebildet, der mit dem Schaltkreis vor dem Zwischenspeicher und zwischen der Batterie und dem ersten Schaltelement verbunden ist. Über diesen Entladekreis ist bei geschlossenem erstem Schaltelement ein Entladen des Zwischenenergiespeichers und damit ein Beladen der Batterie in einem sogenannten „Freilauf” erreicht.In addition, a discharge circuit is further formed, which is connected to the circuit in front of the buffer and between the battery and the first switching element. About this discharge a discharge of the intermediate energy storage and thus a loading of the battery is achieved in a so-called "freewheel" when the first switching element is closed.

In diesem Entladekreis ist zweckdienlicherweise eine Freilaufdiode angeordnet mit Durchflussrichtung von der Batterie zum Zwischenenergiespeicher.In this discharge circuit, a freewheeling diode is expediently arranged with the flow direction from the battery to the intermediate energy storage.

Vorzugsweise handelt es sich bei dem Generator hierbei um einen thermoelektrischen Generator. Dieser selbst ist dabei vorzugsweise aus einer Vielzahl von in Reihe und/oder parallel geschalteter einzelner Zellen aufgebaut. Grundsätzlich ist die hier beschriebene Schaltungsanordnung auch für andere Energiequellen oder Generatoren geeignet, beispielsweise für Photovoltaik-Module.The generator is preferably a thermoelectric generator in this case. This itself is preferably constructed of a plurality of individual cells connected in series and / or in parallel. In principle, the circuit arrangement described here is also suitable for other energy sources or generators, for example for photovoltaic modules.

Der gemeinsame Zwischenspeicher ist dabei der zu ladenden Batterie zweckdienlicherweise vorgeschaltet, das heißt innerhalb des Schaltkreises ist der Zwischenenergiespeicher zwischen Generator und Batterie in Reihe angeordnet.The shared buffer is expediently connected upstream of the battery to be charged, that is, within the circuit of the intermediate energy storage between the generator and battery is arranged in series.

Der Zwischenenergiespeicher ist vorzugsweise eine Spule. Ergänzend ist weiterhin zweckdienlicherweise vorgesehen, dass zwischen der Spule und der Batterie eine Verpolschutzdiode angeordnet ist mit Durchflussrichtung von der Spule zur Batterie.The intermediate energy store is preferably a coil. In addition, it is further expediently provided that a reverse polarity protection diode is arranged between the coil and the battery, with the flow direction from the coil to the battery.

Zur Ausbildung des Tiefsetzstellers ist im Schaltkreis zweckdienlicherweise ein erstes über die Steuereinheit steuerbares Schaltelement, beispielsweise ein Transistor, in Reihe zum Zwischenspeicher und der Batterie angeordnet. Über die Ansteuerung dieses ersten Schaltelements mit einer vorgegebenen Tastfrequenz wird daher der Belade- und Entladevorgang des Zwischenenergiespeichers (Spule) und die Energieabgabe aus dem Zwischenenergiespeicher in die Batterie geeignet eingestellt.To form the buck converter, a first switching element which can be controlled by the control unit, for example a transistor, is arranged in the circuit in series with the buffer and the battery. Therefore, the charging and discharging process of the intermediate energy storage device (coil) and the energy output from the intermediate energy storage device into the battery are suitably set via the activation of this first switching element with a predetermined sampling frequency.

Zur Ausbildung des Hochsetzstellers ist ergänzend zweckdienlicherweise ein Bypasspfad ausgebildet, der am Schaltkreis zwischen dem Zwischenenergiespeicher und der Batterie angeschlossen ist und in dem parallel zum ersten Schaltelement ein zweites über die Steuereinheit steuerbares Schaltelement angeordnet ist.To form the boost converter, a bypass path is additionally suitably formed, which is connected to the circuit between the intermediate energy storage and the battery and in which a second controllable via the control unit switching element is arranged parallel to the first switching element.

Zur Steuerung und Regelung der Schaltungsanordnung steuert die Steuereinheit nunmehr in Abhängigkeit der generatorseitigen Ausgangsspannung (Quellenspannung) die beiden elektronischen Schaltelemente mit einem angepassten Tastverhältnis derart an, dass an der Batterie eine vorzugsweise konstante Ladespannung (Festspannung) anliegt. Das Umschalten zwischen Hochsetzsteller und Tiefsetzsteller erfolgt hierbei in Abhängigkeit einer vorgegebenen Umschaltspannung, beispielsweise beim doppelten der Batteriespannung liegt. Wird die Umschaltspannung vom Generator überschritten, wird der Tiefsetzsteller durch eine entsprechende Ansteuerung des ersten Schaltelements aktiviert, wobei das zweite Schaltelement offen ist, so dass über den Bypasspfad kein Strom fließt. Liegt die generatorseitige Ausgangsspannung unterhalb der Umschaltspannung wird der Hochsetzsteller aktiviert, wobei hierzu die Steuereinheit das zweite Schaltelement mit einem geeigneten Tastverhältnis ansteuert. Das erste Schaltelement ist hierbei dauerhaft geschlossen, um einen Rückstrompfad im Betriebsmodus des Hochsetzstellers zu definieren.For controlling and regulating the circuit arrangement, the control unit now controls the two electronic switching elements with an adapted pulse duty factor as a function of the generator-side output voltage (source voltage) such that a preferably constant charging voltage (fixed voltage) is applied to the battery. The switching between boost converter and buck converter takes place here in dependence of a predetermined switching voltage, for example, at twice the battery voltage is. If the switching voltage is exceeded by the generator, the buck converter is activated by a corresponding control of the first switching element, wherein the second switching element is open, so that no current flows through the bypass path. If the generator-side output voltage is below the switching voltage, the boost converter is activated, for which purpose the control unit controls the second switching element with a suitable duty cycle. The first switching element is in this case permanently closed to define a return current path in the operating mode of the boost converter.

Als Schaltelemente werden hierbei vorzugsweise die vergleichsweise günstigen und robusten n-Kanal-MOSFETS oder auch npn-Transistoren eingesetzt.As switching elements in this case preferably the comparatively cheap and robust n-channel MOSFETs or npn transistors are used.

Zweckdienlicherweise ist die Steuereinheit mit dem Generator zum Abgreifen einer Referenzspannung verbunden, die als Steuer-Eingangsgröße für die Steuereinheit herangezogen wird. Zweckdienlicherweise ist die Steuereinheit dabei mit einem Minus-Pol des Generators verschaltet.Conveniently, the control unit is connected to the generator for picking up a reference voltage, which is used as a control input to the control unit. Conveniently, the control unit is connected to a negative pole of the generator.

Durch die gewählte Schaltungsanordnung mit dem nur einen Zwischenenergiespeicher im Schaltkreis und der Bypassleitung ist in vorteilhafter Weise eine einfache Impedanzkontrolle über einen einfachen Widerstand mit einem einzigen Strommessgerät sowohl im Betriebsmodus des Tiefsetzstellers als auch im Betriebsmodus des Hochsetzstellers ermöglicht. Entsprechend weist die Schaltungsanordnung bevorzugt auch lediglich eine einzige Messanordnung mit nur einem Strommesser sowie mit einem Messwiderstand auf, um den Gesamtwiderstand der Schaltungsanordnung (Lastwiderstand) an den Innerwiderstand des Generators durch geeignetes Ansteuern des Tastverhältnisses der Schaltelemente möglichst anzupassen, um eine möglichst große Leistungsausbeute zu erzielen. By the selected circuit arrangement with only an intermediate energy storage in the circuit and the bypass line a simple impedance control over a simple resistance with a single ammeter is made possible both in the operating mode of the buck converter and in the operating mode of the boost converter in an advantageous manner. Accordingly, the circuit arrangement preferably also has only a single measuring arrangement with only one ammeter and with a measuring resistor in order to adapt the total resistance of the circuit arrangement (load resistance) to the internal resistance of the generator by suitably controlling the duty cycle of the switching elements as much as possible in order to achieve the highest possible power output ,

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10.The object is further achieved by a method according to claim 10.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur näher erläutert. Diese zeigt ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung.An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to the single figure. This shows a circuit diagram of a circuit arrangement.

Die Schaltungsanordnung umfasst hierbei als Energiequelle einen Generator 2, welcher eine Quellen- oder Generatorspannung V1 liefert und einen Innenwiderstand R1 aufweist. Am positiven Bezugspotential des Generators 2 sind in Reihe eine Spule L1 als Zwischenenergiespeicher, eine Verpolschutzdiode D1, eine Batterie BAT1 als Energiespeicher sowie ein erstes elektronisches Schaltelement T1 in Reihe angeordnet. Diese Bauteile bilden einen Schaltkreis 4. Weiterhin ist ein Bypasspfad 6 ausgebildet, der zwischen der Spule L1 und dem positiven Bezugspotential der Batterie BAT1 mit seinem einen Ende und mit seinem anderen Ende zwischen dem ersten Schaltelement T1 und dem negativen Bezugspotential des Generators 2 angeschlossen ist. Im Bypasspfad 6 ist ein zweites Schaltelement T2 angeordnet. Die beiden Schaltelemente T1, T2 sind als Transistoren, vorzugsweise als npn-Transistoren ausgebildet.In this case, the circuit arrangement comprises a generator as the energy source 2 which supplies a source or generator voltage V1 and has an internal resistance R1. At the positive reference potential of the generator 2 are in series a coil L1 as an intermediate energy storage, a Verpolschutzdiode D1, a battery BAT1 as energy storage and a first electronic switching element T1 arranged in series. These components form a circuit 4 , Furthermore, there is a bypass path 6 formed between the coil L1 and the positive reference potential of the battery BAT1 with its one end and with its other end between the first switching element T1 and the negative reference potential of the generator 2 connected. In the bypass path 6 a second switching element T2 is arranged. The two switching elements T1, T2 are formed as transistors, preferably as npn transistors.

Schließlich ist ergänzend noch ein Entladekreis 8 am Schaltkreis 4 angeschlossen, dessen eines Ende vor der Spule L1 und dessen anders Ende nach der Batterie BAT1 (negatives Potential) angeschlossen ist. In den Entladekreis 8 ist eine Freilaufdiode D2 angeordnet.Finally, there is an additional discharge circuit 8th on the circuit 4 connected, one end of which is connected in front of the coil L1 and the other end to the battery BAT1 (negative potential). In the discharge circuit 8th a freewheeling diode D2 is arranged.

Weiterhin ist der Schaltanordnung eine Steuereinheit 10 zugeordnet, über die die beiden Schaltelemente T1, T2 in Abhängigkeit einer am Generator abgegriffenen Referenzspannung U_Ref angesteuert werden. Weiterhin ist ergänzend eine nur schematisch dargestellte Messanordnung 12 vorgesehen, über die ein Laststrom I erfasst wird, der für eine Impedanzkontrolle ebenfalls an die Steuereinheit 10 übermittelt wird.Furthermore, the switching arrangement is a control unit 10 assigned, via which the two switching elements T1, T2 are driven in response to a tapped on the generator reference voltage U _Ref . Furthermore, a measuring arrangement is shown only schematically 12 is provided, via which a load current I is detected, which for an impedance control also to the control unit 10 is transmitted.

Die Steuereinheit 10 steuert nunmehr im Betrieb die beiden Schaltelemente T1, T2 in Abhängigkeit der Generatorspannung V1 an. Ist die Generatorspannung größer der Batteriespannung, wird der Betriebsmodus des Tiefsetzstellers aktiviert. Hierzu wird das zweite Schaltelement T2 dauerhaft geöffnet, so dass der Bypasspfad 6 unterbrochen ist. Das erste Schaltelement T1, welches somit ein wesentliches Bauelement des Tiefsetzstellers ist, wird über die Steuereinheit 10 mit einem definierten Tastverhältnis angesteuert, so dass entsprechend dem Tastverhältnis das Schaltelement T1 kontinuierlich zwischen einem geschlossenen und geöffneten Schaltzustand wechselt. Bei geschlossenem ersten Schaltelement T1 fließt Strom durch die Spule L1 und über die Batterie BAT1. Dabei wird der Zwischenenergiespeicher (Spule L1) geladen. Bei ausgeschaltetem ersten Schalelement T1 wird die in der Spule L1 gespeicherte Energie über den durch den Entladekreis gebildeten Rückstrompfad in die Batterie entladen. Über geeignete Wahl des Tastverhältnisses, das von der Steuereinheit 10 vorgegeben wird, wird bei vorgegebener Generatorspannung V1 die Batterie mit einer Festspannung gespeist.The control unit 10 now controls in operation, the two switching elements T1, T2 in response to the generator voltage V1. If the generator voltage is greater than the battery voltage, the operating mode of the buck converter is activated. For this purpose, the second switching element T2 is permanently opened, so that the bypass path 6 is interrupted. The first switching element T1, which is thus an essential component of the buck converter, is via the control unit 10 controlled with a defined duty cycle, so that according to the duty cycle, the switching element T1 continuously changes between a closed and opened switching state. When the first switching element T1 is closed, current flows through the coil L1 and across the battery BAT1. The intermediate energy store (coil L1) is charged. When the first switching element T1 is switched off, the energy stored in the coil L1 is discharged into the battery via the return current path formed by the discharge circuit. By suitable choice of the duty cycle, that of the control unit 10 is specified, the battery is supplied with a fixed voltage for a given generator voltage V1.

Für den Fall, dass die Generatorspannung V1 kleiner als die Batteriespannung ist, wird der Betriebsmodus als Hochsetzsteller aktiviert. Hierzu wird das zweite Schaltelement T2 von der Steuereinheit 10 mit einem geeigneten Tastverhältnis angesteuert, so dass das zweite Schaltelemente T2 kontinuierlich zwischen einem geschlossenen und einem geöffneten Zustand wechselt. Das zweite Schaltelement T2 bildet daher ein wesentliches Element des Hochsetzstellers. Beim Betrieb des Hochsetzstellers ist weiterhin das erste Schaltelement T1 dauerhaft geschlossen, so dass über das erste Schaltelement T1 ein Rückstrompfad gebildet ist. Bei geschlossenem zweiten Schaltelement T2 fließt Strom über die Spule L1 und dem zweiten Schaltelement T2, jedoch nicht über die Batterie BAT1. Dabei wird der Zwischenenergiespeicher (Spule L1) geladen. Bei ausgeschaltetem zweiten Schaltelement T2 wird die in der Spule L1 enthaltene Energie in die Batterie BAT1 entladen. Der Rückstrompfad ist hierbei vorzugsweise über das erste Schaltelement T1 gebildet.In the event that the generator voltage V1 is smaller than the battery voltage, the operating mode is activated as a boost converter. For this purpose, the second switching element T2 of the control unit 10 controlled with a suitable duty cycle, so that the second switching elements T2 continuously changes between a closed and an open state. The second switching element T2 therefore forms an essential element of the boost converter. During operation of the boost converter, furthermore, the first switching element T1 is permanently closed, so that a return current path is formed via the first switching element T1. When the second switching element T2 is closed, current flows through the coil L1 and the second switching element T2, but not via the battery BAT1. The intermediate energy store (coil L1) is charged. When the second switching element T2 is turned off, the energy contained in the coil L1 is discharged into the battery BAT1. The return current path is preferably formed here via the first switching element T1.

Wie zu erkennen ist, wird sowohl im Betriebsmodus des Tiefsetzstellers als auch des Hochsetzstellers die im Ausführungsbeispiel einzig vorgesehene Spule L1 als gemeinsamer Zwischenenergiespeicher herangezogen. Weiterhin zeichnet sich die gezeigte Schaltungsanordnung dadurch aus, dass lediglich zwei Leistungstransistoren, nämlich die beiden Schaltelemente T1, T2 verwendet werden. Weitere Leistungstransistoren oder sonstige Leistungsschaltbauteile sind nicht vorgesehen. Weiterhin nutzt die dargestellte Schaltungsanordnung aus, dass der Generator 2 selber nicht mit Masse (Fahrzeugmasse) verbunden ist. Dadurch besteht die Möglichkeit und ist vorgesehen, die Batterie BAT1 vor dem ersten Schaltelement T1 anzuordnen. Durch den vergleichsweise einfachen Aufbau mit wenigen Schaltbauteilen wird zudem auch die Verwendung von günstigen und robusten n-Kanal-MOSFETS oder npn-Transitoren als Leistungsschalter ermöglicht.As can be seen, both in the operating mode of the buck converter and the boost converter, the only provided in the embodiment coil L1 is used as a common intermediate energy storage. Furthermore, the circuit arrangement shown is characterized in that only two power transistors, namely the two switching elements T1, T2 are used. Further power transistors or other power switching components are not provided. Furthermore, the illustrated circuit arrangement utilizes that the generator 2 itself not connected to ground (vehicle ground). This makes it possible and is provided to arrange the battery BAT1 before the first switching element T1. The comparatively simple design with few switching components also makes it possible to use low-cost and robust n-channel MOSFETs or npn transistors as circuit breakers.

Das Tastverhältnis mit dem die Schaltelemente T1, T2 von der Steuereinheit 10 angesteuert werden, wird im Hinblick auf eine möglichst optimierte Leistungsanpassung geeignet eingestellt. Zur Kontrolle ist hierbei lediglich eine einzige Messanordnung 12 vorgesehen, über die über die Steuereinheit 10 eine Impedanzkontrolle vorgenommen wird. Bei einer Abweichung des Lastwiderstands der Schaltungsanordnung zum Innenwiderstand R1 des Generators 2 wird das Tastverhältnis angepasst.The duty cycle with which the switching elements T1, T2 from the control unit 10 can be controlled, is adjusted in terms of optimally optimized power adjustment. To control this is only a single measuring arrangement 12 provided via the via the control unit 10 an impedance check is made. In a deviation of the load resistance of the circuit arrangement to the internal resistance R1 of the generator 2 the duty cycle is adjusted.

Insgesamt eignet sich die hier vorgestellte Schaltungsanordnung für Generatoren 2, die bezüglich ihrer Ausgangsgrößen Spannung und Strom stark variieren, um eine Festspannung in ein Versorgungsnetz, insbesondere in einen Energiespeicher, vorzugsweise eine Batterie einzuspeisen und insbesondere auch noch bei niedriger Spannung eine gute Leistungsausbeute zu haben.Overall, the circuit arrangement presented here is suitable for generators 2 , which vary greatly in voltage and current with respect to their output variables, in order to feed a fixed voltage into a supply network, in particular into an energy store, preferably a battery, and in particular even at low voltage to have a good power yield.

Eine derartige Schaltungsanordnung wird vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt. Der thermoelektrische Generator 2 ist hierbei an geeigneter Stelle innerhalb des Kraftfahrzeugs, beispielsweise im Bereich des Abgastrakts angeordnet, um eine möglichst hohe Temperaturdifferenz auszunutzen.Such a circuit arrangement is preferably used in a motor vehicle. The thermoelectric generator 2 In this case, it is arranged at a suitable location within the motor vehicle, for example in the region of the exhaust gas tract, in order to utilize the highest possible temperature difference.

Claims

Electrical circuit arrangement for feeding energy from an energy source ( 2 ) into an energy store (BAT1) comprising a circuit ( 4 ), in which the energy source ( 2 ) and the energy store (BAT1) are arranged, wherein furthermore a buck converter and a boost converter are formed and a control unit ( 10 ) is arranged for switching between the buck converter and the boost converter on demand and between the power source ( 2 ) and the energy store (BAT1) a common intermediate energy store (L1) is arranged both for the buck converter and for the boost converter, characterized in that a discharge circuit ( 8th ) formed with the circuit ( 4 ) is connected in front of the intermediate memory (L1) and between the energy store (BAT1) and a first switching element (T1), whereby via the discharge circuit ( 8th ) when the first switching element (T1) is closed, the intermediate energy store (L) is unloaded and the energy store (BAT) is loaded.

Circuit arrangement according to Claim 1, in which the energy source ( 2 ) is a thermoelectric generator.

Circuit arrangement according to Claim 1 or 2, in which the common buffer store (L1) is a coil and arranged in series with the energy store (BAT1).

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, in which, in order to form the step-down converter in the circuit ( 4 ) the first switching element (T1) via the control unit ( 10 ) is controllable and arranged in series with the buffer (L1) and the energy store (BAT1).

Circuit arrangement according to Claim 4, in which, to form the boost converter, a bypass path ( 6 ), which is connected to the circuit ( 4 ) is connected between the intermediate energy store (L1) and the energy store (BAT1) and in which, parallel to the first switching element (T1), a second via the control unit ( 10 ) controllable switching element (T2) is arranged.

Circuit arrangement according to Claim 4 or 5, in which the control unit ( 10 ) depending on the energy source ( 2 ) provided source voltage (V1) the first switching element (T1) at a high source voltage greater than a switching voltage and the second switching element (T2) at a low source voltage less than the switching voltage with a matched duty cycle, such that the energy storage (BAT1) one at least largely constant supply voltage applied.

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, in which the control unit ( 10 ) with the energy source ( 2 ) for tapping a reference voltage (U _Ref ) is connected.

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, in which, for an impedance control, both the boost converter and the buck converter only have a common current measuring arrangement ( 12 ) is arranged.

Circuit arrangement according to one of the preceding claims, integrated in a motor vehicle electrical system with a battery (BAT1) as an energy store.

Method for feeding energy from an energy source ( 2 ) in an energy store (BAT1) with a circuit arrangement according to one of the preceding claims, wherein is switched depending on demand between the buck converter and the boost converter, wherein on the buck converter one of the energy source ( 2 ) provided high voltage, which is above a switching voltage is adjusted to a desired target voltage and vice versa by means of the boost converter, a low voltage, which is below the switching voltage, is up-regulated to the desired voltage and via the discharge circuit ( 8th ) when the first switching element (T1) is closed, the intermediate energy store (L) is unloaded and the energy store (BAT) is loaded.