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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Energiespeichereinrichtung mit einem ersten Pol, einem zweiten Pol und wenigstens einer Zelle, einen Kondensator, wenigstens einen Verbraucher, einen DC/DC Wandler und eine Steuereinrichtung, wobei der zumindest eine Verbraucher zwischen den ersten Pol der Energiespeichereinrichtung und ein Erdpotential geschaltet ist, womit an dem Verbraucher eine Betriebsspannung abfällt, und wobei ein Referenzpotential eines Eingangs und eines Ausgangs des DC/DC Wandlers das Erdpotential ist, wobei der Kondensator mit einem ersten Anschluss mit dem zweiten Pol der Energiespeichereinrichtung und mit einem zweiten Anschluss mit dem Erdpotential und der DC/DC Wandler mit dem Eingang mit dem ersten Pol der Energiespeichereinrichtung und mit dem Ausgang mit dem zweiten Pol der Energiespeichereinrichtung verbunden sind, und wobei die Leistungsflussrichtung des DC/DC Wandlers durch die Steuereinrichtung wählbar ist.
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Bei heutigen Fahrzeugen wird meist eine 12 Volt Bleibatterie als Starter- und Fahrzeugbatterie verwendet. Bleibatterien haben einige gravierende Nachteile. Sie sind sehr schwer, die Zyklenfestigkeit ist stark eingeschränkt und die Lebensdauer ist auf wenige Jahre begrenzt. Eine mögliche Alternative zu Bleibatterien ist die Nutzung von Lithiumbatterien. Lithiumbatterien haben jedoch beim Einsatz als Starter- und Fahrzeugbatterie den Nachteil, dass der Innenwiderstand der Lithiumbatterie bei Kälte stark zunimmt. Um die Startfähigkeit auch bei kalten Temperaturen sicherzustellen ist es notwendig, sehr leistungsfähige Lithiumbatterien zu nutzen, wodurch die genutzten Lithiumbatterien sehr teuer sind.
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Eine relativ günstige Möglichkeit Lithiumbatterien aufzubauen besteht darin, Lithium-Kobalt-Mangan-Nickel-Zellen (NMC-Zellen) zu verwenden. Nachteilig ist jedoch, dass bei der Verwendung von NMC-Zellen der typische Spannungsbereich von heutigen Bordnetzen von ca. 13 bis 15 Volt nur mit zusätzlichem Aufwand zu erreichen ist. Werden drei NMC-Zellen in Serie geschaltet, so ist die maximal zur Verfügung stehende Spannung auf 12,5 Volt begrenzt. Zudem fällt die maximal verfügbare Spannung weiter ab, wenn die Zellen nur teilweise geladen sind. Eine einfache Möglichkeit die gewünschte Mindestspannung von 13 Volt im Bordnetz zu erreichen, ist eine Nutzung von vier in Serie geschalteten NMC-Zellen. Eine solche Serienschaltung von vier NMC-Zellen erhöht jedoch den Gesamtinnenwiderstand der Batterie, was insbesondere beim Starten bei niedrigen Temperaturen stark nachteilig ist. Zudem muss die maximale Ladung der Batterie auf circa 60 Prozent der Kapazität begrenzt werden um zu hohe Spannungen im Bordnetz zu vermeiden.
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Alternativ zur Verwendung von NMC-Zellen können zum Beispiel Lithium-Titanat-Zellen (LTO) oder Lithiumbatterien auf Eisenphosphatbasis (LFP) genutzt werden. Die Nutzung von vier LFP-Zellen oder sechs LTO-Zellen erlaubt es, die Bordnetzspannung in einem Bereich von 13 bis 15 Volt zu halten. Hier ist jedoch nachteilig, dass aufgrund der vielen in Serie geschalteten Zellen der Innenwiderstand der Batterie steigt. Zudem sind die genannten Batteriealternativen nur mit hohen Kosten herzustellen.
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Die Druckschrift
FR 2964511 A1 beschreibt ein Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, wobei das Kraftfahrzeug zum automatischen Stoppen und Starten einer Verbrennungsmaschine ausgebildet ist. Das Bordnetz umfasst zwei Schalter, mit denen ein Pol einer Batterie wahlweise direkt oder über einen Superkondensator mit einem Erdpotential verbunden werden kann. Beim Starten des Motors ist der Superkondensator in Serie mit der Batterie verbunden. In einem Lademodus wird diese Serienschaltung getrennt, um den Superkondensator mit Hilfe eines DC/DC-Wandlers zu laden.
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Die Druckschrift
WO 2012/049387 A1 offenbart eine ähnliche Schaltung, bei der eine Batterie wahlweise direkt oder über einen Superkondensator mit einem Erdpotential verbindbar ist. Zum Laden des Kondensators wird die Batterie direkt mit dem Erdpotential verbunden und der Superkondensator über einen Spannungswandler geladen.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 028 147 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung für ein Bordnetz, das ein Basis-Bordnetz mit einem Energiespeicher, ein Leistungs-Bordnetz mit einem zusätzlichen Energiespeicher und einen DC/DC-Wandler umfasst. Der DC/DC-Wandler dient dabei zur Kopplung zwischen dem Basis-Bordnetz und dem Leistungs-Bordnetz.
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Eine elektrische Betriebsschaltung für einen Anlasser ist aus der Druckschrift
WO 02/46608 A1 bekannt. Hierbei wird eine Reihenschaltung aus einer Batterie und einem Kondensator verwendet. Der Anlasser ist so an die Reihenschaltung anschließbar, dass die an dem Anlasser anliegende Spannung die Summe aus der an der Batterie anliegenden Spannung und der am Kondensator anliegenden Spannung ist.
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Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug anzugeben, bei dem es möglich ist, die von einer Energiespeichereinrichtung zur Verfügung gestellte Spannung über längere Betriebszeiträume anpassen zu können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass bei einem Kraftfahrzeug der oben genannten Art die Energiespeichereinrichtung und der Kondensator sowohl bei einem Laden als auch bei einem Entladen der Energiespeichereinrichtung in Serie geschaltet sind, wobei die Leistungsflussrichtung im DC/DC Wandler beim Entladen der Energiespeichereinrichtung vom Eingang zum Ausgang und beim Laden der Energiespeichereinrichtung vom Ausgang zum Eingang ist.
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Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, dass es möglich ist, die Spannung einer Energiespeichereinrichtung dadurch anzupassen, dass ein geladener Kondensator mit der Energiespeichereinrichtung in Serie geschaltet wird. Wird jedoch ausschließlich ein Kondensator mit der Energiespeichereinrichtung in Serie geschaltet, so entlädt sich dieser Kondensator sobald Strom aus der Batterie entnommen wird. Da Kondensatoren üblicherweise eine viel kleinere Kapazität aufweisen als die zu unterstützende Energiespeichereinrichtung, ist mit einem in Serie geschalteten Kondensator nur eine kurzfristige Anhebung der Ausgangsspannung einer Energiespeichereinrichtung möglich. Erfindungsgemäß wird daher zusätzlicher Strom durch einen DC/DC Wandler zur Verfügung gestellt, der zwischen die Pole der Energiespeichereinrichtung geschaltet ist. Der DC/DC Wandler wird also mit einem Eingang mit der Ausgangsspannung der Batterie, die unter Umständen bereits durch die Zusatzspannung des Kondensators angehoben ist, verbunden und mit einem Ausgang mit dem zweiten Pol der Batterie, wodurch das Potential am zweiten Pol der Batterie angehoben wird, wodurch die Spannung im Bordnetz steigt.
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Ist die Energiespeichereinrichtung eine wiederaufladbare Energiespeichereinrichtung, ist es wesentlich, dass die Leistungsflussrichtung des DC/DC Wandlers durch die Steuereinrichtung steuerbar ist. Soll die Batterie geladen werden, so ändert sich die Richtung des Stromflusses durch die Batterie. In diesem Fall würde beim Laden der Batterie kontinuierlich der Kondensator geladen. Da dieser Kondensator jedoch, wie erwähnt, typischerweise eine wesentlich geringere Kapazität beispielsweise um den Faktor 10, aufweist, als die zu unterstützende Energiespeichereinrichtung, würde dies zu einem Überladen des Kondensators führen.
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Abhängig von der Art des Kondensators kann dies beispielsweise zu einer Zerstörung des Kondensators führen. Selbst wenn dies nicht der Fall ist, fällt mit zunehmender Ladung des Kondensators eine zunehmend große Gegenspannung am Kondensator ab, die ein weiteres Laden der Batterie verhindert.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren wird daher ein bidirektionaler DC/DC Wandler genutzt, dessen Leistungsflussrichtung durch die Steuereinheit wählbar ist. Soll die Batterie also geladen werden, so wird die Leistungsflussrichtung des DC/DC Wandlers durch die Steuereinrichtung umgedreht, wodurch ein Teil des Ladestroms, der die Batterie durchfließt, durch den die DC/DC Wandler abgeführt werden kann und somit den Kondensator nicht weiter lädt.
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Die erfindungsgemäße Nutzung eines Kondensators und eines DC/DC Wandlers, die stets mit der Energiespeichereinrichtung verbunden sind, ermöglicht eine flexible Anpassung der Bordnetzspannung. Wird beispielsweise in einem Anfangszustand, in dem der Kondensator zunächst nicht geladen sein soll, der DC/DC Wandler durch die Steuereinrichtung derart angesteuert, dass die Ausgangsspannung des DC/DC Wandlers auf 2 Volt eingestellt ist, so wird zunächst der Kondensator geladen, wodurch sich die am Kondensator abfallende Spannung erhöht. Sobald am Kondensator eine Spannung von 2 Volt abfällt, wird damit die Betriebsspannung im Bordnetz um 2 Volt erhöht.
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Damit ist es möglich, durch eine Ansteuerung eines DC/DC Wandlers die Betriebsspannung in Bordnetz um mehrere Volt zu variieren. So kann beispielsweise im eingangs genannten Beispiel, dem Betrieb von drei NMC-Zellen im Bordnetz eines Kraftfahrzeugs, die Betriebsspannung durch Ansteuerung des DC/DC Wandlers dauerhaft um beispielsweise 2 Volt erhöht werden, wodurch die Betriebsspannung 14,5 Volt erreicht. Gleichzeitig bleibt es möglich die Batterie zu laden, da beim Laden der Batterie die Leistungsflussrichtung im DC/DC Wandler umgekehrt wird und damit ein Überladen des Kondensators verhindert wird.
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Neben einem Erhöhen der Bordnetzspannung um einen konstanten Wert ist es auch möglich, dass im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug der Spannungswert im Bordnetz durch eine geregelte Ansteuerung des DC/DC Wandlers weitgehend unabhängig vom Ladezustand der Batterie und der Last im Bordnetz, konstant gehalten wird. Dies ist beispielsweise dadurch möglich, dass die Ausgangsspannung des DC/DC Wandlers durch die Steuereinrichtung derart gesteuert wird, dass eine Reduzierung der Betriebsspannung durch ein Erhöhen der am Kondensator abfallenden Spannung bzw. der Ausgangsspannung des DC/DC Wandlers zeitnah kompensiert.
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Im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug wird also quasi die geringere Kapazität des Kondensators gegenüber der Energiespeichereinrichtung dadurch ausgeglichen, dass beim Entladen der Batterie zusätzlicher Strom durch den DC/DC Wandler bereitgestellt wird, während beim Laden der Batterie überschüssiger Strom, der aufgrund der kleineren Kapazität des Kondensators nicht zum Laden des Kondensators genutzt werden kann, über den DC/DC-Wandler abgeführt wird. Damit ist die Leistungsflussrichtung im DC/DC Wandler beim Entladen der Energiespeichereirichtung vom Eingang zum Ausgang und beim Laden der Energiespeichereinrichtung vom Ausgang zum Eingang.
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Wie eingangs erwähnt ist es im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug vorteilhaft, dass die Betriebsspannung im Kraftfahrzeug gegenüber der an der Energiespeichereinrichtung abfallenden Spannung, also der Summe der durch die einzelnen Zellen der Energiespeichereinrichtung zur Verfügung gestellten Spannung, erhöht werden kann. Insbesondere ist es damit im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug möglich, Energiespeichereinrichtungen zu nutzen, die eine kleinere Ausgangsspannung zur Verfügung stellen, ohne das Bordnetz des Kraftfahrzeugs anpassen zu müssen.
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Insbesondere hierfür ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung zur Ansteuerung des DC/DC Wandlers ausgebildet ist, derart, dass die am Kondensator abfallende Spannung gemittelt über einen Schaltzyklus des DC/DC Wandlers während des Entladens der Energiespeichereinrichtung nach einem ersten Laden des Kondensators im wesentlichen konstant ist. Die am Kondensator abfallende Spannung ist nach einem anfänglichen Ladeintervall, bei nicht allzu großen Stromabgaben durch die Batterie, im wesentlichen gleich mit der Ausgangsspannung des DC/DC Wandlers. Damit kann die am Kondensator abfallende Spannung schlicht dadurch eingestellt werden, dass die Ausgangsspannung des DC/DC Wandlers auf den gewünschten Wert geregelt wird.
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Eine solche Regelung der Ausgangsspannung des DC/DC Wandlers ist dann besonders einfach möglich, wenn der DC/DC Wandler ein strom- oder spannungsgeregelter DC/DC Wandler ist. In beiden Fällen weist der DC/DC Wandler einen internen Regelkreis auf, der die Ausgangsspannung auf einen vorgegebenen Referenzspannungswert regelt. Eine solche Referenzspannung kann leicht beispielsweise über einen digital/analog Wandler der Steuereinrichtung vorgegeben werden. Soll beim Entladen der Batterie ausschließlich eine Erhöhung der Batteriespannung um einen festen Wert erreicht werden, was der Fall ist, wenn die am Kondensator abfallende Spannung konstant ist, ist es insbesondere auch möglich, eine Referenzspannung über einen Festspannungsregler vorzugeben.
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Der Wert der am Kondensator abfallenden Spannung und damit die Erhöhung der Spannung des Bordnetzes gegenüber der Ausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung kann selbstverständlich abhängig von mehreren Parametern angepasst werden, beispielsweise dem Ladungszustand der Batterie, der Belastung der Batterie, dem Alter der Energiespeichereinrichtung oder ähnlichem.
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Mit der vorangehend beschriebenen konstanten Erhöhung der Betriebsspannung gegenüber der Spannung der Energiespeichereinrichtung ist es möglich, bei der Wahl der Zellen, die bei der Bildung der Energiespeichereinrichtung genutzt werden, flexibler zu agieren und dennoch eine Betriebsspannung in einem vorgegebenen Spannungsbereich zu erreichen. Es ist jedoch wünschenswert, die Spannungsstabilität der Betriebsspannung insgesamt zu verbessern. Während ein großer Teil der Kraftfahrzeugkomponenten über einen weiten Spannungsbereich funktionieren kann, ist es für einige Komponenten bei einer relativ stark variierenden Spannungsversorgung von beispielsweise 13 bis 15 Volt notwendig, zusätzliche Maßnahmen zur Spannungsstabilisierung zu ergreifen. Zudem können Komponenten, die für einen schmaleren Spannungsbereich ausgelegt sind, unter Umständen leichter und/oder effizienter sein. Es ist daher vorteilhaft, die Betriebsspannung im Bordnetz des Kraftfahrzeugs in einem schmalen Spannungsbereich zu stabilisieren. Daher kann die Steuereinrichtung zur Ansteuerung des DC/DC Wandlers derart ausgebildet sein, dass die Betriebsspannung gemittelt über einen Schaltzyklus des DC/DC Wandlers während des Entladens der Energiespeichereinrichtung nach einem ersten Laden des Kondensators im wesentlichen unabhängig durch den Verbraucher fließenden Verbraucherstrom konstant ist, so lange der Verbraucherstrom eine vorgegebene oder vorgebbare Stromgrenze nicht übersteigt.
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Durch eine derartige Steuerung des DC/DC Wandlers können zum einen Änderungen der Ausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung aufgrund des Innenwiderstands der Energiespeichereinrichtung bei Betrieb eines Verbrauchers mit einer niedrigen Impedanz im Bordnetz, beispielsweise einem Elektromotor, kompensiert werden, zum anderen ist es auch möglich, die Ladungszustandabhängigkeit der Ausgangsspannung der Energiespeichereinrichtung über einen weiten Ladungsbereich zu kompensieren. Beispielsweise kann die Betriebsspannung im Bordnetz des Kraftfahrzeugs gemessen und mit einem Referenzwert verglichen werden. Weicht die Betriebsspannung von diesem Referenzwert ab, kann der DC/DC Wandler entsprechend gesteuert werden.
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Dies kann beispielsweise durch einen analogen Regelkreis erfolgen, der als Sollwert die Referenzspannung, als Eingangsspannung die Betriebsspannung des Bordnetzes und als Ausgangsspannung die Referenzspannung für einen strom- oder spannungsgeregelten DC/DC Wandler hat. Alternativ ist es beispielsweise auch möglich, die Betriebsspannung entweder direkt oder über einen Spannungsteiler einem analog/digital Wandler zuzuführen und anschließend eine digitale Regelung des DC/DC Wandlers durchzuführen. Erfolgt eine solche digitale Regelung beispielsweise direkt in der Steuereinrichtung, so kann eine Referenzspannung für einen strom- oder spannungsgesteuerten DC/DC Wandler über einen digital/analog Wandler ausgegeben werden. Vorteilhaft ist es jedoch auch möglich, dass eine direkte Ansteuerung der Schalter im DC/DC Wandler durch digital erzeugte Pulsweiten erfolgt.
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Es ist anzumerken, dass sehr plötzliche Gradienten im Stromverbrauch, beispielsweise durch Betätigen einer Zündung eines Kraftfahrzeugs durch einen Regelkreis nicht vollständig abgefangen werden können. Damit kann es trotz der Kompensation durch die zusätzliche Spannung am Kondensator möglich sein, dass kurzfristige Spannungseinbrüche im Bordnetz vorkommen. Es ist jedoch auch möglich, solche Spannungseinbrüche zu vermeiden, indem bei einem voraussagbaren Betrieb eines solchen starken Energieverbrauchers durch die Steuereinrichtung eine Erhöhung der Betriebsspannung bereits vor Betrieb des Verbrauchers erfolgt.
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Wie erläutert ist es häufig wünschenswert, die Betriebsspannung im Kraftfahrzeug über einen Wert hinaus zu erhöhen, der durch die Summe der Zellspannungen der Energiespeichereinrichtung zur Verfügung gestellt wird. Eine Erhöhung der Spannung durch ein Hinzufügen zusätzlicher Zellen ist häufig nicht gewünscht, da in diesem Fall die maximale Ladung der Zellen eingeschränkt sein kann, das Gewicht der Energiespeichereinrichtung erhöht wird und der Innenwiderstand steigt. Es ist daher vorteilhaft, wenn im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug die Betriebsspannung während des Entladens der Energiespeichereinrichtung nach einem ersten Laden des Kondensators höher ist als die an der Energiespeichereinrichtung im unbelasteten Zustand abfallende Spannung.
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Die zweite wesentliche Aufgabe des DC/DC Wandlers im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist es, ein Überladen des Kondensators zu vermeiden. Ein Überladen des Kondensators würde zum einen zu einer potentiellen Beschädigung des Kondensators führen, zum anderen würde beim Laden des Kondensators eine starke Gegenspannung erzeugt, wodurch ein weiteres Laden der Batterie verhindert werden könnte. Es ist daher vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung zur Steuerung des DC/DC Wandlers ausgebildet ist, derart, dass die am Kondensator abfallende Spannung, gemittelt über einen Schaltzyklus des DC/DC Wandlers, während des Ladens der Energiespeichereinrichtung einen vorgegebenen Grenzwert nicht übersteigt.
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Im einfachsten Fall kann mit Erreichen des Grenzwertes der DC/DC Wandler derart angesteuert werden, dass Leistung vom zweiten Pol der Batterie zum ersten Pol der Batterie transportiert wird. Ein DC/DC Wandler weist ein Spannungsverhältnis zwischen einem Eingang und einem Ausgang auf, das von der Pulsbreite der Ansteuerung des DC/DC Wandlers abhängt. Bei Wandlern, die bidirektional betrieben werden können, bei denen also die Leistungsflussrichtung umkehrbar ist, hängt auch die Richtung des Leistungstransports davon ab, wie der DC/DC Wandler angesteuert wird.
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Im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug kann im einfachsten Fall ein Synchronwandler als DC/DC Wandler genutzt werden. Für einen Synchronwandler gilt, dass in dem Fall, in dem das Verhältnis von Ausgangsspannung zur Eingangsspannung gleich dem Pulsweitenverhältnis ist, keine Leistung durch den Synchronwandler transportiert wird. Wird nun beim Laden der Batterie das Pulsweitenverhältnis derart angepasst, dass am Ausgang des DC/DC Wandlers eine höhere Spannung anliegt als das Produkt aus Pulsweitenverhältnis und der Spannung am Eingang des DC/DC Wandlers, so erfolgt ein Leistungstransport vom Ausgang des DC/DC Wandlers zum Eingang des DC/DC Wandlers. Dadurch wird ein Überladen des Kondensators vermieden.
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Besonders einfach kann eine solche Regelung erreicht werden, wenn ein strom- bzw. spannungsgeregelter DC/DC Wandler genutzt wird. In diesem Fall kann die Referenzspannung auf den Grenzwert der Spannung der nicht oder zumindest nicht wesentlich überschritten werden soll, gestellt werden, wodurch bei Überschreiten dieses Grenzwertes ein Leistungstransport vom Ausgang des DC/DC Wandlers zum Eingang des DC/DC Wandlers erfolgt und damit Leistung, die sonst zum Laden des Kondensators genutzt würde, abgeführt wird. Dadurch wird ein weiteres Laden des Kondensators verhindert. Selbstverständlich kann eine Regelung der Ladeströme auch schon vor Erreichen des Grenzwertes erfolgen, um die Ladegeschwindigkeit des Kondensators kontinuierlich abzusenken während sich die am Kondensator abfallende Spannung dem Grenzwert nähert. Ebenso ist es, ähnlich wie im Falle des Entladens der Batterie, möglich, dass die Ausgangsspannung des DC/DC Wandlers oder das Verhältnis zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung digital, insbesondere durch Pulsweitenmodulation, geregelt wird.
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Die Steuereinrichtung kann insbesondere einen Regler zur Regelung der am Kondensator abfallenden Spannung oder der Betriebsspannung durch Ansteuerung des DC/DC Wandlers umfassen, der ein Proportional- und/oder ein Integral- und/oder ein Differentialglied umfasst. Im einfachsten Fall kann eine Proportionalregelung der Betriebsspannung bzw. der Spannung am Kondensator erfolgen. In diesem Fall werden die Unterschiede zwischen einer Sollspannung und der gemessenen Spannung mit einem Gewichtungsfaktor versehen und zu einer vorgegebenen Steuergröße addiert. Eine schnellere Regelung, die häufig besonders einfach implementierbar ist, ist die Integralregelung, bei der Messfehler mit einem Faktor multipliziert und anschließend integriert werden. Nachteilig an einer Integralregelung ist jedoch, dass die geregelte Größe über den Sollwert hinausschwingen kann. Bei nicht zu stark rauschbehafteten Größen kann die Regelung durch die Nutzung eines Differentialgliedes weiter verbessert werden.
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Der Regler in der Steuereinrichtung kann als ein analoger Regelkreis ausgeführt sein, eine Regelung kann aber auch durch ein Messen der Spannung, insbesondere durch einen analog/digital Wandler, und eine anschließende digitale Regelung erfolgen. Erfolgt die Regelung digital, kann die Ansteuerung des DC/DC Wandlers entweder über einen digital/analog Wandler und die Vorgabe einer Referenzspannung erfolgen, insbesondere wenn der DC/DC Wandler spannungs- oder stromgeregelt ist, oder die Steuerung kann direkt über eine digital erzeugte Pulswelle erfolgen.
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Ein wesentliches Merkmal des DC/DC Wandlers im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist es, dass die Leistungsflussrichtung umkehrbar ist. Selbst unter Berücksichtigung dieses Gesichtspunkts können eine Vielzahl verschiedener DC/DC Wandler genutzt werden. Typischerweise wird im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ein DC/DC Wandler ohne galvanische Trennung genutzt, da ein gemeinsames Erdpotential auch zum Stromtransport genutzt wird. Damit kann der DC/DC Wandler beispielsweise ein Synchronwandler, ein Split-Pi-Wandler oder ein kaskadierter Ab-Aufwärtswandler sein. Im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug müssen typischerweise auf der Ausgangsseite des DC/DC Wandlers keine Spannungen ausgegeben werde, die höher sind als die Spannungen auf der Eingangsseite. Daher ist eine Nutzung eines Synchronwandlers möglich.
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Ein großer Vorteil des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ist es, dass die Spannungsanhebung aufgrund der Unterstützung durch den DC/DC Wandler nahezu unabhängig von der Kapazität des Kondensators ist. Dennoch ist es, insbesondere, wenn kurzfristig sehr hohe Ströme zur Verfügung gestellt werden sollen, vorteilhaft, wenn die Ströme direkt durch den Kondensator zur Verfügung gestellt werden können, da bei einem zur Verfügung stellen der Ströme durch den DC/DC Wandler die Batterie zusätzlich belastet wird. Daher ist es trotz der prinzipiellen Unabhängigkeit der Spannungsabhebung von der Kapazität des Kondensators vorteilhaft, wenn dieser Kondensator eine große Kapazität aufweist. Zudem kann der Kondensator in diesem Fall zusätzlich zur Rückgewinnung von Bremsenergie oder ähnlichem genutzt werden. Daher ist es vorteilhaft, wenn der Kondensator ein elektrostatischer Kondensator ist. Insbesondere kann der elektrostatische Kondensator ein Doppelschichtkondensator sein, aber auch ein elektrochemischer Pseudokondensator oder ein Hybridkondensator sein.
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Elektrochemische Kondensatoren vereinen weitgehend die Vorteile einer Batterie, nämlich eine relativ hohe Energiespeicherdichte, mit den Vorteilen von Kondensatoren, also großer Zyklenfestigkeit, niedrigem Innenwiderstand und geringer Lade-/Entlade Hysterese. Die Wahl des elektrochemischen Kondensatortyps hängt von den exakten Anforderungen in der jeweiligen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs ab. So weisen Doppelschichtkondensatoren Eigenschaften auf, die denen eines üblichen Kondensators sehr ähnlich sind, es werden jedoch nicht so große Kapazitäten erreicht wie mit Pseudokondensatoren oder Hybridkondensatoren. Diese weisen wiederum eine größere Kapazität auf, haben aber elektrische Eigenschaften, die stärker von denen eines klassischen Kondensators abweichen.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist es, dass Energiespeichereinrichtungen genutzt werden können, die aus Zellen aufgebaut sind, mit denen keine optimale Zellkombination für eine gewünschte Bordnetzspannung möglich ist oder bei denen dafür sehr viele Zellen notwendig wären. Die Energiespeichereinrichtung kann insbesondere ein Lithium-Ionen Akkumulator sein. Insbesondere können die Zellen des Lithium-Ionen-Akkumulators Lithium-Cobalt-Mangan-Nickel-Zellen (NMC-Zellen) sein. Insbesondere in diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn die Energiespeichereinrichtung drei Zellen umfasst.
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Beispielsweise wird durch die Verwendung von drei NMC-Zellen über weite Bereiche des Ladungsbereichs der NMC-Zellen eine Spannung von circa 10,5 bis circa 12,5 Volt erreicht. Diese Spannung ist ohne zusätzliche Maßnahmen nicht ausreichend, um in Bordnetzen übliche Kraftfahrzeuge eingesetzt zu werden. Im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist ein Einsatz einer solchen Energiespeichereinrichtung, die aus drei NMC-Zellen aufgebaut ist, jedoch problemlos möglich. Im einfachsten Fall kann die Betriebsspannung durch das in Serie schalten eines zusätzlichen Kondensators um circa 2,5 Volt erhöht werden, wodurch die beispielhaft genannte Energiespeichereinrichtung aus drei NMC-Zellen in Verbindung mit dem sich in einem konstanten Ladezustand befindlichen Kondensator eine Gesamtspannung von 13 bis 15 Volt über nahezu den gesamten Ladungsbereich der Energiespeichereinrichtung zur Verfügung stellt.
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Selbstverständlich können auch andere Zellkombinationen genutzt werden, die Spannungen unterhalb eines gewünschten Betriebsspannungsbereichs aufweisen. Die jeweilige Variation der Betriebsspannung ist über einen weiten Spannungsbereich möglich. Mit elektrochemischen Kondensatoren kann eine Spannungsanhebung problemlos in einem Bereich von 0 bis circa 3 Volt erfolgen. Soll eine Betriebsspannung weiter angehoben werden, so können beispielsweise mehrere in Serie geschaltete Kondensatoren genutzt werden. Typischerweise ist es wünschenswert, eine Energiespeichereinrichtung durch möglichst wenige Zellen aufzubauen, um das Gewicht und den Innenwiderstand der Energiespeichereinrichtung gering zu halten. Daher ist es im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug vorteilhaft, eine Energiespeichereinrichtung mit einer geringeren Ausgangsspannung als der gewünschten Betriebsspannung zu nutzen.
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Die weiteren Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs,
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2 eine schematische Darstellung des Bordnetzes eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs und den Leistungsfluss beim Entladen der Energiespeichereinrichtung,
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3 das in 2 gezeigte Bordnetz mit dem Leistungsfluss beim Laden der Energiespeichereinrichtung,
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4 ein Synchronwandler, und
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5 die Abhängigkeit der Betriebsspannung von der Ladung eines Energiespeichers für verschiedene Energiespeicher und Unterstützungsformen
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1 zeigt ein Beispiel eines Kraftfahrzeugs 1, das ein Bordnetz aufweist, dessen Betriebsspannung gegenüber der an eine Energiespeichereinrichtung 2 abfallenden Spannung erhöht wird, indem ein Kondensator 3 mit der Batterie 2 in Serie geschaltet ist. Damit wird eine höhere Betriebsspannung für den Verbraucher 5 erreicht.
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Der Verbraucher 5 ist hier ein Elektromotor, der genutzt wird, um bei Beschleunigungsvorgängen den konventionellen Motor zu unterstützen. In diesem Fall ist es besonders wünschenswert, den Elektromotor auch bei hohen Lasten mit relativ hohen Spannungen zu versorgen, da in diesem Fall das Drehmoment des Motors deutlich erhöht ist. Hierzu wird in Kraftfahrzeug 1 die Spannung des Energiespeichers 2 durch den Kondensator 3 angehoben.
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Würde nun ausschließlich der Kondensator 3 zum Anheben der Spannung der Energiespeichereinrichtung 2 genutzt, so würde sich der Kondensator beim Entladen der Batterie ebenfalls entladen. Da die Kapazität des Kondensators 3, bei dem es sich im Kraftfahrzeug 1 beispielsweise um einen elektrochemischen Kondensator mit einer relativ hohen Kapazität handelt, dennoch wesentlich kleiner ist als die Kapazität der Energiespeichereinrichtung 2, bei der es sich beispielsweise um einen Lithium-Ionen-Akkumulator mit NMC-Zellen handeln kann, würde der Kondensator 3 wesentlich schneller entladen, als die Energiespeichereinrichtung 2. Damit wäre in diesem Fall nur eine kurzfristige Erhöhung der Batteriespannung möglich. Da der Kondensator 3 in dem Kraftfahrzeug 1 fest mit der Energiespeichereinrichtung 2 verbunden ist, würde beim weiteren Entladen der Batterie der Kondensator 3 mit entgegengesetzter Polarität geladen und die zur Verfügung stehende Betriebsspannung würde weiter abgesenkt.
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Um dies zu verhindern, wird in dem Kraftfahrzeug 1 der DC/DC Wandler 4 genutzt, der beim Entladen der Energiespeichereinrichtung 2 Strom an den Punkt der Schaltung zwischen dem Kondensator 3 und der Energiespeichereinrichtung 2 transportiert und damit den Ladezustand des Kondensators aufrechterhält. Daher ist durch den Betrieb des DC/DC Wandlers 4 eine dauerhafte Erhöhung der Betriebsspannung möglich.
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Soll das Fahrzeug nun beispielsweise gebremst werden, kann durch den Verbraucher 5, der hier ein Elektromotor ist, Energie zurück gewonnen werden. In diesem Fall würde die Energiespeichereinrichtung 2 geladen. Wäre wiederum der DC/DC Wandler 4 nicht im Kraftfahrzeug 1 integriert, bzw. wäre der DC/DC Wandler hier ein unidirektionaler DC/DC Wandler, so würde beim Laden die Energiespeichereinrichtung 2 zugleich der Kondensator 3 geladen. Wie bereits erwähnt, ist die Kapazität des Kondensators 3 um ein Vielfaches geringer, als die Kapazität der Energiespeichereinrichtung 2. Daher würde bei einem Laden der Batterie der Kondensator überladen werden, das heißt, dass entweder der Kondensator beschädigt würde oder am Kondensator eine hohe Spannung abfallen würde, wodurch das Laden der Energiespeichereinheit 2 gehemmt wäre. In diesem Fall wird der DC/DC Wandler im Kraftfahrzeug 1 jedoch durch die nicht gezeigte Steuereinrichtung derart angesteuert, dass die Leistungsflusseinrichtung umgekehrt ist. Damit wird Strom, der sonst zu einer Ladung des Kondensators 3 führen würde, durch den DC/DC Wandler 4 transportiert und es wird ein Überladen des Kondensators beim Laden der Batterie verhindert.
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Das Bordnetz eines ähnlichen Kraftfahrzeugs, wie des in 1 gezeigten Kraftfahrzeugs in 2 ist schematisch detaillierter dargestellt. Die Energiespeichereinrichtung 2 ist hier wiederum ein Lithium-Ionen-Akkumulator, der aus drei Zellen 6 aufgebaut ist, die NMC-Zellen sind. Die dargestellte Energiespeichereinrichtung 2 stellt im vollständig geladenen Zustand eine Ausgangsspannung von circa 12,5 Volt zur Verfügung. Im Bordnetz des Kraftfahrzeugs sind zwei Verbraucher 5, 7 gezeigt. Der Verbraucher 5 ist ein Startergenerator und der Verbraucher 7 ein weiterer Verbraucher, beispielsweise eine Lichtanlage des Kraftfahrzeugs. Um die Betriebsspannung, die an den Verbrauchern 5 und 7 anliegt zu erhöhen, wird zwischen Erdpotential 8 und Energiespeichereinrichtung 2 ein Kondensator 3 angeordnet. Der Kondensator 3 wird durch den DC/DC Wandler 4 zunächst geladen, und die Ladung des Kondensators 3 wird im weiteren Betrieb des Kraftfahrzeugs, so lange die Energiespeichereinrichtung 2 entladen wird, im wesentlichen aufrechterhalten. Die Steuerung des DC/DC Wandlers erfolgt durch eine Steuereinrichtung 12, die über einen digital/analog Wandler eine Referenzspannung für den beispielsweise stromgesteuerten DC/DC Wandler 4 bereitstellt.
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Die Steuereinrichtung 12 umfasst zudem einen analog/digital Wandler, der den Spannungsunterschied zwischen der Betriebsspannung und dem Erdpotential differenziell misst. In der Steuereinrichtung 12 ist ein digitaler Regelkreis implementiert, der über eine Proportional-Integralregelung eine Referenzspannung für den DC/DC Wandler vorgibt. Die gemessene Betriebsspannung des Bordnetzes wird mit einem digital vorgegebenen Wert verglichen und der Fehlerwert wird mit einem ersten Gewichtungsfaktor gewichtet integriert, wozu eine zweite Gewichtung des Fehlerwerts addiert wird. Das Ergebnis dieser Regelung wird als Referenzspannung an dem DC/DC Wandler 4 ausgegeben.
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Der DC/DC Wandler 4 ist stromgeregelt, wobei bei einer Stromregelung eines DC/DC Wandlers eine Referenzspannung vorgegeben wird, die am Ausgang des DC/DC Wandlers erreicht wird. Die durch die Steuereinrichtung 12 vorgegebene Referenzspannung entspricht also bei einer idealen Regelung im DC/DC Wandler der am Ausgang des DC/DC Wandlers 11 anliegenden Spannung. Der DC/DC Wandler ist hier als Synchronwandler ausgebildet, das heißt, dass die Spannung am Ausgang des DC/DC Wandlers 11 stets niedriger ist als die Spannung am Eingang des DC/DC Wandlers 4. So lange diese Bedingung erfüllt ist, wird zumindest nach einem kurzen Zeitintervall, das für die Regelung erforderlich ist, die Spannung, die am Kondensator 3 abfällt, gleich der Spannung am Ausgang 11 des DC/DC Wandlers 4 sein und diese Spannung gleich der durch die Steuereinrichtung 12 vorgegebenen Referenzspannung. Dies führt dazu, dass durch den Regelkreis in der Steuereinrichtung 12 die Betriebsspannung im Bordnetz des Kraftfahrzeugs auf einen konstanten vorgegebenen oder vorgebbaren Wert geregelt wird.
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Um ein Entladen des Kondensators 3 und damit ein Abfallen der Spannung zu verhindern, muss der durch die Energiespeichereinrichtung 2 abgegebene Strom durch den DC/DC Wandler 4 zur Energiespeichereinrichtung 2 zurückgeführt werden. Die Leistungsflussrichtung ist in 2 durch die Pfeile 9 gezeigt. Der aus der Energiespeichereinrichtung 2 ausfließende Strom verteilt sich also auf die Verbraucher 5 und 7 sowie auf den DC/DC Wandler.
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Es ist erwähnenswert, dass der durch die Verbraucher 5 und 7 fließende Strom über das Erdpotential 8 durch den Kondensator 3 und den DC/DC Wandler 4 zurückgeführt wird. Ein Zurückführen des Stroms über den Kondensator ist möglich, da ein DC/DC Wandler nicht tatsächlich eine Gleichstromwandlung durchführt, sondern den Gleichstrom hochfrequent wechselrichtet und typischerweise über eine Kapazität bzw. Induktivität glättet. Daher erfolgt eine hoch frequente Be- und Entladung des Kondensators 3, wodurch Strom durch den Kondensator 3 transportiert werden kann. Zugleich ist ein Stromtransport durch den DC/DC Wandler 4 möglich, wie später noch mit Bezug auf 4 erläutert.
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3 zeigt das gleiche Bordnetz wie 2. In 3 ist jedoch die Leistungsflussrichtung bei einem Laden der Batterie mit den Pfeilen 21 eingezeichnet. In diesem Fall dient der Verbraucher 5, der ein Startergenerator ist, der Stromerzeugung für das Bordnetz des Kraftfahrzeugs. Damit fließt Strom in die Energiespeichereinrichtung 2 und die Energiespeichereinrichtung 2 wird geladen. Um ein Überladen des Kondensators 3 oder ein zu hohes Beladen des Kondensators 3, wodurch eine sehr hohe Spannung an ihm abfällt, zu vermeiden, wird zudem die Leistungsflussrichtung in dem DC/DC Wandler 4 umgedreht. Der Leistungsfluss erfolgt nun also vom Ausgang 11 des DC/DC Wandlers 4 zum Eingang 10 des DC/DC Wandlers 4. Diese Flussrichtung ist dann möglich, wenn das Pulsweitenverhältnis des DC/DC Wandlers 4 so gewählt ist, dass beispielsweise für einen Synchronwandler das Verhältnis der Ausgangsspannungen am Ausgang 11 zu der Eingangsspannung am Eingang 10 kleiner ist als das Pulsweitenverhältnis. Bei einer Regelung des DC/DC Wandlers durch eine Referenzspannung, wie in 2 und 3 gezeigt, erfolgt ein umgekehrter Leistungsfluss genau dann, wenn die Spannung am Ausgang 11 des DC/DC Wandlers 4 größer ist als die Referenzspannung. Damit ist eine besonders einfache Begrenzung der am Kondensator 3 abfallenden Spannung möglich.
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Beim Laden der Energiespeichereinrichtung 2 wird kontinuierlich auch der Kondensator 3 geladen. Durch das Laden des Kondensators steigt auch kontinuierlich die Spannung am Kondensator 3 und damit die Spannung am Ausgang 11 des DC/DC Wandlers 4. Sobald diese Spannung die durch die Steuereinrichtung 12 vorgegebenen Referenzspannung übersteigt, erfolgt ein umgekehrter Leistungsfluss durch den DC/DC Wandler, wodurch weiterer Strom nicht mehr zum Laden des Kondensators zur Verfügung steht, sondern durch den DC/DC Wandler abfließt.
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Zum besseren Verständnis der Schaltung, insbesondere zum Verständnis des Stromflusses von dem Erdpotential 8 zur Energiespeichereinrichtung 2 ist in 4 schematisch ein Synchronwandler dargestellt. Der DC/DC Wandler 4, der hier ein Synchronwandler ist, umfasst zwei Kondensatoren 13, eine Spule 20 sowie zwei Schalter 14, 15. Über eine nicht gezeigte Steuerung werden die beiden Schalter 14, 15 gegenphasig gesteuert. Liegt ein Signal mit einem hohen Pegel vor, wird der Schalter 14 geschlossen und der Schalter 15 geöffnet und umgekehrt. Das Pulsweitenverhältnis, mit dem der DC/DC Wandler 4 gesteuert wird, gibt also die Zeit an, die der Schalter 14 geschlossen ist. Damit ist auch leicht zu erkennen, dass das Pulsweitenverhältnis die Ausgangsspannung am Ausgang 11 des DC/DC Wandlers 4 steuert. Ist das Pulsweitenverhältnis 1, ist der die Schalter steuernde Signalpegel also stets hoch, so ist Schalter 14 stets geschlossen und der Eingang 10 und der Ausgang 11 sind durch die Spule 20 verbunden. Eine Spule hat jedoch im Idealfall keinen Gleichstromwiderstand.
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Ist der Signalpegel, der die Schalter 14, 15 steuert jedoch zeitweise niedrig, und das Pulsweitenverhältnis damit kleiner als 1, so ist zu diesen Zeiten, wie in 4 gezeigt, der Schalter 14 geöffnet und der Schalter 15 geschlossen. Damit ist das Erdpotential 8 zeitweise über die Spule 20 mit dem Ausgang 11 verbunden. Der Kondensator 13 wird zu diesen Zeiten über die Spule 5 entladen. Damit liegt eine im zeitlichen Mittel niedrigere Ausgangsspannung am Ausgang 11 des DC/DC Wandlers an.
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Als einfachstes Modell für den DC/DC Wandler 4 kann angenommen werden, dass der Ausgang 11 des DC/DC Wandlers 4 durch das Schalten der Schalter 14, 15 hochfrequent zwischen einem Potential am Eingang 10 und dem Erdpotential 8 umgeschaltet wird. Die hochfrequente Rechteckspannung wird anschließend durch einen IC-Filter, der durch den Kondensator 13 und die Spule 5 gebildet wird, geglättet.
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Damit ist auch offensichtlich, dass ein Stromtransport des Stroms, der die Verbraucher im Kraftfahrzeug durchlaufen hat, durch den DC/DC Wandler vom Erdpotential 8 zum Ausgang 11 möglich ist. Zumindest während der Schaltphasen, in denen Schalter 15 geschlossen ist, besteht wie erläutert eine Verbindung des Erdpotentials 8 mit dem Ausgang 11 über die Spule 5. Damit ist ein Transport der Gleichstromanteile möglich. Gleichzeitig können Wechselstromanteile über die Kondensatoren 13 übertragen werden.
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5 zeigt die Vorteile der Nutzung einer zusätzlichen Energieanhebung bzw. Regelung, insbesondere beim Einsatz von Energiespeichereinrichtungen, die NMC-Zellen umfassen. Soll eine Energiespeichereinrichtung für einen Spannungsbereich zwischen 13 und 15 Volt durch NMC-Zellen gebildet werden, so kann versucht werden, diese Energiespeichereinrichtung durch drei oder vier NMC-Zellen zu bilden. Zunächst ist offensichtlich, dass unabhängig von der Anzahl der Zellen und den weiteren unterstützenden Maßnahmen eine Nutzung der NMC-Zellen über den gesamten Ladebereich nicht möglich ist, da zumindest die niedrigsten 10 Prozent des Ladungsbereichs vermieden werden sollten, da in diesem Bereich die an der Batterie abfallende Spannung massiv reduziert wird. Ein ausschließlicher Betrieb von NMC-Zellen ist jedoch auch in den weiteren Ladungsbereichen für den Spannungsbereich von 13 bis 15 Volt problematisch.
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Mit drei NMC-Zellen wird ein Spannungsverlauf, wie mit Kurve 16 gezeigt, erreicht. Bei einem vollständig geladenen Energiespeicher beträgt die Spannung am Energiespeicher also circa 12,5 Volt. Bei einem Entladen des Energiespeichers fällt diese Spannung weiter ab. Die gewünschte Bordnetzspannung zwischen 13 und 15 Volt wird also nicht erreicht.
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Wird eine zusätzliche NMC-Zelle hinzugefügt und werden damit vier NMC-Zellen genutzt, so wird ein Betrieb im gewünschten Ladungsbereich zwischen einer Ladung der Energiespeichereinrichtung von circa 5 Prozent und von circa 60 Prozent erreicht. Damit ist hier nachteilig, dass die NMC-Zellen nicht vollständig geladen werden können. Dies bedeutet, dass die Energiespeichereinrichtung überdimensioniert werden muss, wodurch Gewicht, Größe und Kosten der Energiespeichereinrichtung steigen. Zudem steigt bei der Verwendung von vier statt drei NMC-Zellen der Innenwiderstand der Batterie um circa 33 Prozent, da ein weiterer Zell-Zell-Übergang vorhanden ist.
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Wird ein zusätzlicher Kondensator genutzt, dessen Ladung durch einen DC/DC Wandler aufrechterhalten wird, so kann die Spannungskurve 18 erreicht werden. Spannungskurve 18 zeigt die Nutzung von drei NMC-Zellen, wobei die NMC-Zellen mit einem Kondensator in Serie geschaltet sind, an dem eine Spannung von 2,5 Volt abfällt. Hier ist klar zu erkennen, dass nahezu im gesamten Ladungsbereich der Energiespeichereinrichtung die Spannung, die am Kondensator und Energiespeichereinrichtung gemeinsam abfällt, also die Betriebsspannung, im Bereich zwischen 13 und 15 Volt ist. Damit kann mit einer relativ einfachen Schaltung die Nutzbarkeit von NMC-Zellen in einem konventionellen Bordnetz wesentlich verbessert werden.
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Bei einer geregelten Steuerung der Kondensatorladung, beispielsweise durch Nutzung eines Regelkreises, der die Betriebsspannung misst und eine Referenzspannung für den DC/DC Wandler vorgibt, kann die Spannungskurve 19 erreicht werden. Für die Spannungskurve 19 wird der Kondensator für niedrige Ladungszustände der Energiespeichereinrichtung stärker geladen, so dass eine zusätzliche Spannung von 3 Volt zur Verfügung gestellt wird. Mit zunehmender Ladung der Energiespeichereinrichtung wird die Ausgangsspannung des DC/DC Wandlers und damit die am Kondensator abfallende Spannung reduziert. Dadurch kann mit minimalem Zusatzaufwand eine wesentlich bessere Spannungsstabilität im Bordnetz des Kraftfahrzeugs erreicht werden. Dies ist insbesondere zutreffend, da auch Variationen der Bordnetzspannung aufgrund von wechselnden Impedanzen von Verbrauchern kompensiert werden können.
