DE102013204238A1

DE102013204238A1 - Vorrichtung zur stabilisierenden Versorgung eines Verbrauchers

Info

Publication number: DE102013204238A1
Application number: DE102013204238.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Mittermaier
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-03-12
Filing date: 2013-03-12
Publication date: 2014-09-18
Also published as: US20150381053A1; US9929589B2; WO2014140010A1; CN105075060B; CN105075060A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (30) zur stabilisierenden Versorgung eines im Normalbetrieb aus einem Energiespeicher (10) versorgten Verbrauchers (20) aus einem Pufferspeicher (40). Die Vorrichtung (30) umfasst einen Gleichspannungswandler (35), eine Mehrzahl von steuerbaren Schaltelementen (S1, ..., S5) und eine Steuereinheit (34) zur Steuerung des Schaltzustands (1; 0) der Mehrzahl an steuerbaren Schaltelementen (S1, ..., S5) in Abhängigkeit einer Eingangsspannung (U1) der Vorrichtung (30). Die Vorrichtung (30) ist dazu ausgebildet, a) den Verbraucher (20) im Normalbetrieb unter Umgehung von Verlustleistung aufweisenden Komponenten direkt aus dem Energiespeicher (10) zu versorgen, wenn die Eingangsspannung (U1) größer als eine vorgegebene erste Grenzspannung (Ugs1) ist, wobei die erste Grenzspannung (Ugs1) eine Mindestspannung des Verbrauchers zu dessen Versorgung ist; b) den Verbraucher (20) über den aus dem Energiespeicher (10) gespeisten Gleichspannungswandler (35) zu versorgen, wenn die Eingangsspannung (U1) unter die erste vorgegebene Grenzspannung (Ugs1) sinkt, wobei der Gleichspannungswandler (35) die Eingangsspannung auf eine Betriebsspannung des Verbrauchers wandelt; und c) den Gleichspannungswandler (35) aus dem Pufferspeicher (40) zu speisen, wenn die Eingangsspannung unter eine zweite vorgegebene Grenzspannung (Ugs2) sinkt bis eine Spannung (U3) des Pufferspeichers (40) die zweite vorgegebene Grenzspannung (Ugs2) erreicht, wobei die zweite vorgegebene Grenzspannung (Ugs2) eine Mindestspannung des Gleichspannungswandlers (35) zu dessen Betrieb ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur stabilisierenden Versorgung eines im Normalbetrieb aus einem Energiespeicher versorgten Verbrauchers aus einem Pufferspeicher. Insbesondere betrifft die Vorrichtung die stabilisierende Versorgung eines Verbrauchers, der an ein Fahrzeug-Bordnetz angeschlossen ist.
Die stabilisierende Versorgung von Verbrauchern, wie z. B. temporär in einem Fahrzeug vorhandene Messtechnik, erfolgt durch das Vorsehen einer Pufferbatterie oder eines Pufferkondensators als Pufferspeicher. Aufgrund der hohen Kapazität und der kurzfristig erzielbaren hohen Ströme, sowohl bei einer Energieentnahme als auch zum Aufladen, werden zumeist elektrochemische Kondensatoren in Form sog. Superkondensatoren (auch als Ultracap oder Supercap bezeichnet) als Pufferspeicher eingesetzt. Durch den Pufferspeicher soll sichergestellt werden, dass der Verbraucher bei einem Unterschreiten der durch den Energiespeicher bereitgestellten Spannung unterhalb eine für den Betrieb des Verbrauchers notwendige Mindestspannung nicht unerwartet ausfällt oder undefiniertes Verhalten zeigt. Der Pufferspeicher wird in der Regel so dimensioniert, dass ein noch kurzzeitiger Betrieb des Verbrauchers ermöglicht wird, so dass dieser sich in einen definierten Zustand bringen kann oder in einen definierten Zustand gebracht werden kann. Der Energiespeicher kann in diesem auf Fahrzeuge gerichteten Beispiel eine Fahrzeugbatterie sein, deren an einer Versorgungsklemme bereit gestellte Spannung aufgrund dynamischer Vorgänge in dem Fahrzeug schwanken kann. Grundsätzlich kann diese Problematik aber bei anderen Anwendungen auftreten. Der Einfachheit halber wird in der vorliegenden Beschreibung auf eine Anwendung in einem Fahrzeug Bezug genommen, wobei diese Anwendung jedoch einschränkend betrachtet werden soll.
Um zu verhindern, dass bei einem Unterschreiten der für den Betrieb des Verbrauchers notwendigen Mindestspannung auch andere Komponenten aus dem Pufferspeicher versorgt werden, was die Zeit für die stabilisierende Versorgung des Verbrauchers stark verkürzen würde, wird zwischen einem Knotenpunkt, an den der Verbraucher und der Pufferspeicher angeschlossen sind, und dem Energiespeicher bzw. den anderen Komponenten eine Diode vorgesehen. Das Vorhandensein der Diode bringt es mit sich, dass durch den Spannungsabfall ungewollte Verlustleistung (Wärme) verursacht wird, welche grundsätzlich vermieden werden sollte. Ferner wird der durch den Pufferspeicher dem Verbraucher bereitstellbare Spannungshub um die an der Diode abfallende Spannung reduziert. Aufgrund der notwendigen Mindestspannung des Verbrauchers kann daher nur ein geringer Arbeitsbereich des Pufferspeichers genutzt werden.
Um die dem Verbraucher unabhängig von der Spannung des Energiespeichers eine Spannung konstanter Höhe bereit stellen zu können, kann zwischen dem erwähnten Knotenpunkt und dem Energiespeicher auch ein Gleichspannungswandler angeordnet werden. Durch diesen wird die von dem Energiespeicher bereit gestellte Spannung (in der Regel) nach oben (step-up) gewandelt, wodurch der Arbeitsbereich des Pufferspeichers erhöht werden kann. Im Betrieb verursacht der Gleichspannungswandler jedoch auch eine ständige Verlustleistung, die als Wärme abgegeben wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine baulich und/oder funktional verbesserte Vorrichtung zur stabilisierenden Versorgung eines im Normalbetrieb aus einem Energiespeicher versorgten Verbrauchers aus einem Pufferspeicher anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Es wird eine Vorrichtung zur stabilisierenden Versorgung eines im Normalbetrieb aus einem Energiespeicher versorgten Verbrauchers aus einem Pufferspeicher vorgeschlagen, die einen Gleichspannungswandler, eine Mehrzahl von steuerbaren Schaltelementen und eine Steuereinheit zur Steuerung des Schaltzustands der Mehrzahl an steuerbaren Schaltelementen in Abhängigkeit einer Eingangsspannung der Vorrichtung umfasst.
Die Vorrichtung ist dazu ausgebildet, den Verbraucher im Normalbetrieb unter Umgehung von Verlustleistung aufweisenden Komponenten direkt aus dem Energiespeicher zu versorgen, wenn die Eingangsspannung größer als eine vorgegebene erste Grenzspannung ist, wobei die erste Grenzspannung eine Mindestspannung des Verbrauchers zu dessen Versorgung ist. Hierdurch kann der Verbraucher, sofern eine Stabilisierung seiner Versorgung nicht notwendig ist, mit minimierten Verlusten der Spannungsstabilisierungsvorrichtung betrieben werden.
Die Vorrichtung ist weiter dazu ausgebildet, den Verbraucher über den aus dem Energiespeicher gespeisten Gleichspannungswandler zu versorgen, wenn die Eingangsspannung unter die erste vorgegebene Grenzspannung sinkt, wobei der Gleichspannungswandler die Eingangsspannung auf eine Betriebsspannung des Verbrauchers wandelt. Erst dann, wenn die Mindestspannung des Verbrauchers durch den Energiespeicher nicht mehr bereitgestellt werden kann, wird der Gleichspannungswandler aktiviert. Dieser wird zunächst aus dem Energiespeicher gespeist, so dass der Pufferspeicher zur Stabilisierung der Versorgung des Verbrauchers noch nicht aktiviert werden muss. Dies ermöglicht somit, die Aktivierung des Pufferspeichers zeitlich nach hinten zu verschieben.
Die Vorrichtung ist ferner dazu ausgebildet, den Gleichspannungswandler aus dem Pufferspeicher zu speisen, wenn die Eingangsspannung unter eine zweite vorgegebene Grenzspannung sinkt bis eine Spannung des Pufferspeichers die zweite vorgegebene Grenzspannung erreicht, wobei die zweite vorgegebene Grenzspannung eine Mindestspannung des Gleichspannungswandlers zu dessen Betrieb ist. Der Pufferspeicher wird somit durch die Vorrichtung über den Gleichspannungswandler mit dem Verbraucher verbunden. Dabei erfolgt diese Verbindung erst dann, wenn die von dem Energiespeicher bereitgestellte Spannung nicht mehr hoch genug ist, den Gleichspannungswandler zu betreiben.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht somit einen späteren Entladebeginn des Pufferspeichers, was eine längere Versorgung des Verbrauchers ermöglicht. Ferner kann der Pufferspeicher im Vergleich zu den bekannten Lösungen tiefer entladen werden, was ebenfalls eine längere Versorgung des Verbrauchers ermöglicht. Weiter kann der Pufferspeicher aufgrund der nicht vorhandenen Diode auf eine höhere Spannung aufgeladen werden, was zusätzlich einen vergrößerten Spannungshub mit sich bringt und eine weiter längere Versorgung des Verbrauchers ermöglicht. Jede Maßnahme bringt einzeln für sich sowie im Verbund eine maximierte Pufferleistung des Pufferspeichers mit sich.
Im Ergebnis wird der mit dieser Vorrichtung betriebene Verbraucher unabhängig von Schwankungen oder Ausfällen des Energiespeichers optimal stabilisiert. Im Normalbetrieb entsteht keine Verlustleistung. Ferner können keine kritischen Verbraucherspannungszustände entstehen.
Die Vorrichtung kann ein steuerbares drittes Schaltelement umfassen, über das der Verbraucher direkt mit dem Energiespeicher verbindbar ist, wodurch der Verbraucher im Normalbetrieb unter Umgehung von Verlustleistung aufweisenden Komponenten aus dem Energiespeicher versorgbar ist. Hierdurch ist die Wärmeentwicklung der Vorrichtung minimal.
Die Vorrichtung kann ein steuerbares viertes Schaltelement umfassen, das zwischen einem Ausgang des Gleichspannungswandlers und einem Ausgang der Vorrichtung verschaltet ist, wobei über das vierte Schaltelement der Gleichspannungswandler mit dem Verbraucher verbindbar ist. Ist das vierte Schaltelement geschlossen, so ist das dritte Schaltelement geöffnet, so dass die direkte Verbindung zwischen dem Verbraucher und dem Energiespeicher getrennt ist.
Die Vorrichtung kann ein steuerbares erstes Schaltelement umfassen, das zwischen einem Eingang des Gleichspannungswandlers und einem Eingang der Vorrichtung verschaltet ist, wobei über das erste Schaltelement der Gleichspannungswandler mit dem Energiespeicher verbindbar ist, wodurch der Verbraucher über den aus dem Energiespeicher gespeisten Gleichspannungswandler versorgbar ist, wenn die Eingangsspannung unter die erste vorgegebene Grenzspannung sinkt.
Die Vorrichtung kann ein steuerbares zweites Schaltelement umfassen, das zwischen dem Eingang des Gleichspannungswandlers und einem Anschluss für den Pufferspeicher verschaltet ist, wodurch der Verbraucher über den aus dem Pufferspeicher gespeisten Gleichspannungswandler versorgbar ist, wenn die Eingangsspannung unter die zweite vorgegebene Grenzspannung sinkt.
Die Vorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass das erste und das zweite Schaltelement in einem Regelbetrieb nicht den gleichen Schaltzustand aufweisen, wobei der Regelbetrieb alle Betriebszustände mit Ausnahme einer Sicherheitsabschaltung, bei der alle Schaltelemente der Vorrichtung sperrend geschaltet sind, umfasst. Dies bedeutet, wenn das erste Schaltelement geschlossen ist, ist das zweite Schaltelement geöffnet, und umgekehrt. Hierdurch ist sichergestellt, dass entweder nur der Energiespeicher oder der Pufferspeicher mit dem Eingang des Gleichspannungswandlers verbunden ist. Sichergestellt werden kann dies durch entsprechende Ansteuerung der beiden Schaltelemente oder durch eine als Hardware vorgesehene Schaltung, so dass das erste und das zweite Schaltelement mit nur einem Steuersignal in den entsprechenden Schaltzustand versetzt werden können.
Die Vorrichtung kann ein steuerbares fünftes Schaltelement umfassen, das zwischen dem Ausgang des Gleichspannungswandlers und dem Anschluss für den Pufferspeicher verschaltet ist, wodurch der Pufferspeicher geladen werden kann. Das fünfte Schaltelement kann in gegebenen Abständen geschlossen werden, wenn der Verbraucher nicht mit Energie versorgt wird. Das fünfte Schaltelement kann in gegebenen Abständen geschlossen werden, wenn der Verbraucher nicht über den Gleichspannungswandler, sondern direkt aus dem Energiespeicher mit Energie versorgt wird. Das fünfte Schaltelement kann in gegebenen Abständen geschlossen werden, wenn der Verbraucher über den Gleichspannungswandler mit Energie versorgt wird. Es versteht sich, dass dann, wenn der Pufferspeicher durch das Schließen des fünften Schaltelements geladen werden soll, auch die Verbindung zwischen dem Eingang des Gleichspannungswandlers und dem Eingang der Vorrichtung geschlossen sein muss, damit der Gleichspannungswandler mit Energie versorgt wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass auch das erste Schaltelement geschlossen sein muss.
Die Steuerung der Schaltelemente erfolgt durch die Steuereinheit. Dies bedeutet, dass diese zur Durchführung dieser Aufgabe mit Spannung versorgt sein muss. Hierzu wird die Steuereinheit aus dem Eingang der Vorrichtung oder aus dem Pufferspeicher mit Spannung versorgt. Somit ist gewährleistet, dass die Steuereinheit sowohl bei erstmaligem Betrieb und noch leerem Pufferspeicher als auch bei leerem Energiespeicher und Pufferbetrieb bis zuletzt funktioniert.
Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, die Eingangsspannung zu erfassen. Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers zu erfassen. Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, die Spannung des Pufferspeichers messtechnisch zu erfassen. Abhängig von wenigstens einer dieser Spannungen kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, die Schaltzustände (geschlossen oder offen) der Schaltelemente, d. h. des ersten bis fünften Schaltelements, zu bestimmen.
Der Pufferspeicher kann ein elektrochemischer Kondensator, wie z. B. ein Superkondensator oder Ultrakondensator, sein. Diese weisen eine hohe Energiedichte und die Möglichkeit zur schnellen Ladung und Entladung auf. Der Pufferspeicher kann so dimensioniert sein, dass dieser, nach Beginn dessen Entladung, eine Versorgung des Verbrauchers für etwa eine Minute ermöglicht. Grundsätzlich ist die Größe des Pufferspeichers der jeweiligen Anwendung anzupassen.
Der Pufferspeicher kann Bestandteil der Vorrichtung sein. Der Pufferspeicher kann auch ein von der Vorrichtung getrenntes Bauteil sein.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
1 eine Schaltungsanordnung, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur stabilisierenden Versorgung eines im Normalbetrieb aus einem Energiespeicher versorgten Verbrauchers aus einem Pufferspeicher zeigt, und
2 eine Tabelle, die die verschiedenen Betriebszustände der Vorrichtung illustriert.
1 zeigt eine Schaltungsanordnung eines Energiespeichers 10, eines zu versorgenden Verbrauchers 20 und einer Vorrichtung 30 zur stabilisierenden Versorgung des Verbrauchers. Die Vorrichtung 30 zur stabilisierenden Versorgung des Verbrauchers wird nachfolgend als Spannungsstabilisierungsvorrichtung bezeichnet. Der Verbraucher 20, z. B. eine temporär verwendete Messeinrichtung, wird im Normalbetrieb aus dem Energiespeicher 10, z. B. einer Fahrzeugbatterie, versorgt. Der Normalbetrieb ist dadurch gekennzeichnet, dass die an einer Batterieklemme 11 des Energiespeichers 10 anliegende Spannung größer als einer für den Betrieb des Verbrauchers 20 notwendige Mindestspannung ist.
Die Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 weist einen Eingang 31 und einen Ausgang 32 auf. Der Energiespeicher 10 ist mit seiner Batterieklemme an den Eingang 31 (IN) angeschlossen. Ein Versorgungseingang 21 des Verbrauchers 20 ist mit dem Ausgang 32 (OUT) verbunden. Ein Pufferspeicher 40 ist mit einem Eingang 33 der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 verbunden. Mit seinem anderen Anschluss ist der Pufferspeicher mit einem Bezugspotenzial verbunden. Der Pufferspeicher 40 ist ein elektrochemischer Kondensator, d. h. ein sog. Superkondensator (SuperCap) oder Ultrakondensator (UltraCap). In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Pufferspeicher 40 keine Komponente der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30. In einer alternativen Ausgestaltung könnte der Pufferspeicher auch Teil der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 sein.
Die Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 umfasst eine Steuereinheit 34, einen Gleichspannungswandler 35 sowie fünf steuerbare Schaltelemente S1 bis S5. Die Schaltelemente S1, ..., S5 sind z. B. Halbleiterschaltelemente, wie z. B. MOSFETs. Es können auch andere Schaltelementtypen zum Einsatz kommen. Der jeweilige Schaltzustand (leitend oder sperrend) der Schaltelemente S1,..., S5 wird durch die Steuereinheit 34 gesteuert. In der nachfolgenden Beschreibung der 2 ist ein leitend geschaltetes Schaltelement mit „1”, ein sperrend geschaltetes Schaltelement mit „0” gekennzeichnet. Die Steuereinheit 34 verfügt ferner über Mittel zur messtechnischen Erfassung verschiedener Spannungen U1, U2, U3 im Inneren der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30. Diese Mittel könnten auch in einer separaten Messeinheit vorgesehen sein, wobei das Ergebnis der Messungen dann an die Steuereinheit 34 übertragen werden müsste. Die Steuereinheit 34 ist optional ferner zur Steuerung des Gleichspannungswandlers 35 mit diesem verbunden (Steuersignal s4). Die Steuereinheit 34 wird über einen Versorgungseingang 38 der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30, mit welchem der Pufferspeicher 40 verbunden ist, aus dem Pufferspeicher 40 mit Spannung versorgt. Als Gleichspannungswandler (DC/DC-Konverter) kann z. B. ein Aufwärtswandler verwendet werden.
Ein erstes Schaltelement S1 ist zwischen dem Eingang 31 der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 und einem Eingang 36 des Gleichspannungswandlers 35 verschaltet. Das erste Schaltelement S1 ist somit mit einem Anschluss mit der Versorgungsklemme 11 des Energiespeichers 10 verbunden. Ein zweites Schaltelement S2 ist zwischen dem Eingang 33 Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 und dem Eingang 36 des Gleichspannungswandlers 35 verschaltet. Das zweite Schaltelement S2 ist somit mit einem Anschluss mit dem Pufferspeicher 40 verbunden. Ein drittes Schaltelement S3 ist zwischen dem Eingang 31 der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 und dem Ausgang 32 der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 verschaltet. Das dritte Schaltelement S3 kann dadurch eine direkte Verbindung, d. h. eine Verbindung ohne Verlustleistung aufweisende Komponenten, zwischen dem Energiespeicher 10 und dem Verbraucher 20 herstellen. Ein viertes Schaltelement S4 ist zwischen dem Ausgang 37 des Gleichspannungswandlers 35 und dem Ausgang 32 der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 verschaltet, so dass über das vierte Schaltelement S4 der Gleichspannungswandler 35 mit dem Verbraucher 20 verbindbar ist. Ein fünftes Schaltelement S5 ist zwischen dem Ausgang 37 des Gleichspannungswandlers 35 und dem Eingang 33 der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 verschaltet, wodurch der Gleichspannungswandler 35 mit dem Pufferspeicher 40 verbindbar ist.
Durch die Steuervorrichtung 34 wird die Eingangsspannung U1 der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 erfasst, wobei das die Spannung U1 repräsentierende Signal mit m1 gekennzeichnet ist. Die Spannung U1 entspricht der Spannung am Eingang 31 der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 und damit der an der Versorgungsklemme 11 anliegenden Spannung. Weiter wird durch die Steuervorrichtung 34 die Ausgangsspannung U2 am Ausgang 37 des Gleichspannungswandlers erfasst. Das die Spannung U2 repräsentierende Signal ist mit m2 gekennzeichnet. Schließlich wird durch die Steuervorrichtung 34 die Spannung U3 erfasst, wobei das die Spannung U3 repräsentierende Signal mit m3 gekennzeichnet ist. Die Spannung U3 entspricht damit der Spannung des Pufferspeichers 40.
Für die Steuerung der Schaltelemente S1, ..., S5 wird durch die Steuereinheit 34 zumindest die Spannung U1 verarbeitet, wobei hierzu ein Vergleich mit vorgegebenen Grenzspannungen (d. h. Schwellwerten, die in der Steuereinheit 34 hinterlegt sind) erfolgt. Eine erste Grenzspannung Ugs1 ist durch eine für den Betrieb des Verbrauchers 20 notwendige Mindestspannung, ggfs. zuzüglich einer Sicherheitsmarge, definiert. Die erste Grenzspannung kann bei ca. 10 V liegen, wenn man davon ausgeht, dass der Verbraucher 20 mit einer Spannung zwischen 9 und 16 V betrieben werden kann. Eine zweite Grenzspannung Ugs2 ist durch eine für den Betrieb des Gleichspannungswandlers 35 notwendige Mindestspannung, ggfs. zuzüglich einer Sicherheitsmarge, definiert. Die zweite Grenzspannung Ugs2 ist abhängig von der Realisierung des Gleichspannungswandlers 35 und kann bei ca. 5 V liegen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass der Gleichspannungswandler 35 mit Eingangsspannungen zwischen 5 und 16 V betrieben werden kann. Ausgangsseitig soll der Gleichspannungswandler 35 eine Spannung zwischen 10 und 16 V bereitstellen können.
In einem Ladebetrieb der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 (Zeile Nr. 1 in der Tabelle der 2) wird der Verbraucher 20 nicht mit einer Spannung beaufschlagt („Ausgang AUS”) und der Pufferspeicher 40 wird über den Energiespeicher 10 aufgeladen („Pufferspeicher aufladen”). Hierzu werden die Schaltelemente S1 und S5 leitend („1”) und die Schaltelemente S2, S3 und S4 sperrend („0”) geschaltet. Die Spannung U1 hängt von der vom Energiespeicher 10 bereitgestellten Spannung ab und kann Spannungen zwischen 5 und 16 V annehmen, welche dem Betriebsbereich des Gleichspannungswandlers 35 entspricht, über den der Pufferspeicher 40 geladen wird. Da es da Ziel ist, den Pufferspeicher 40 bis zur maximal möglichen Kapazität aufzuladen, wird von dem Gleichspannungswandler die maximale Ausgangsspannung U2 erzeugt. U2 und U3 betragen daher 16 V.
Der Normalbetrieb der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 ist in der Tabelle der 2 in Zeile Nr. 2 dargestellt. Im Normalbetrieb wird der Verbraucher 20 aus dem Energiespeicher 10 mit Spannung versorgt („Ausgang EIN”), wozu das Schaltelement S3 leitend zu schalten ist. Aufgrund der direkten Verbindung des Verbrauchers 20 mit dem Energiespeicher 10 fällt eine minimale Verlustleistung an. Für die Versorgung des Verbrauchers 20 ist der Betrieb des Gleichspannungswandlers nicht notwendig („ohne Betrieb des Gleichspannungswandlers”). Lediglich für die optionale Erhaltungsladung des Pufferspeichers 40 („Pufferspeicher Erhaltungsladung”) muss der Gleichspannungswandler 35 in Verbindung mit einem Leitendschalten („1”) der Schaltelemente S1 und S5 in vorgegebenen Abständen betrieben werden. Die Schaltelemente S2 und S4 sind im Normalbetrieb immer sperrend („0”) geschaltet.
Für den Normalbetrieb muss die Spannung U1 größer als die erste Grenzspannung Ugs1, also größer als die für den Betrieb des Verbrauchers 20 erforderliche Spannung, sein. Die Spannung U1 kann sich daher in einem Bereich zwischen 10 und 16 V bewegen. Für die Erhaltungsladung wird der Pufferspeicher 40 mit der maximal möglichen Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 35 beaufschlagt, d. h. U2 und U3 betragen 16 V.
In Zeile Nr. 3 der Tabelle in 2 ist ein „stabilisierender Normalbetrieb” der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 dargestellt. In diesem stabilisierenden Normalbetrieb wird der Verbraucher 20 aus dem Energiespeicher 10 mit Spannung versorgt („Ausgang EIN über Gleichspannungswandler”), obwohl die Spannung U1 unter die für den Betrieb des Verbrauchers 20 erforderliche Spannung abgesunken ist, d. h. U1 ist kleiner als die erste Grenzspannung Ugs1. Die Versorgung des Verbrauchers erfolgt nun über den Gleichspannungswandler 35, der aus dem Energiespeicher 10 gespeist wird, unter der Bedingung, dass die Spannung U1 größer ist als die zweite Grenzspannung Ugs2, d. h. größer als die Mindesteingangsspannung des Gleichspannungswandlers 35. U1 muss somit zwischen 5 und 10 V liegen. Hierzu wird das Schaltelement S3 sperrend (”0”) geschaltet, um die direkte Verbindung zwischen Verbraucher 20 und Energiespeicher 10 aufzutrennen. Ebenso ist das Schaltelement S2 sperrend („0”) geschaltet, da keine Versorgung aus dem Pufferspeicher 40 erfolgt. Die Schaltelemente S1 und S4 werden leitend („1”) geschaltet, um die Versorgung über den Gleichspannungswandler 35 zu ermöglichen.
Die von dem Gleichspannungswandler 35 bereit gestellte Spannung U2 beträgt zwischen 10 und 16 V. Geht man davon aus, dass vor dem Eintritt des „stabilisierenden Normalbetriebs” die Spannung nicht sprunghaft, sondern allmählich unter 10 V gesunken ist, so kann, um Spannungssprünge zu vermeiden, die Spannung U2 auf 10 V geregelt werden. Ist ein Spannungssprung für den Verbraucher tolerierbar, kann die Spannung auch auf 16 V geregelt werden. Ebenso kann die Spannung U2 in einer Rampe von 10 V auf 16 V kontinuierlich erhöht werden. Eine entsprechende Steuerung erfolgt mittels des Signals s1 durch die Steuereinheit 34. Eine Erhaltungsladung des Pufferspeichers 40 findet im stabilisierenden Normalbetrieb in diesem Ausführungsbeispiel nicht statt, d. h. das Schaltelement S5 ist sperrend („0”) geschaltet. Die Spannung U3 entspricht damit der Spannung des Pufferspeichers 40, der vorher auf 16 V aufgeladen wurde. In einer Variante könnte auch in dem stabilisierenden Normalbetrieb eine wie oben beschriebene Erhaltungsladung durchgeführt werden.
In Zeile Nr. 4 der Tabelle in 2 ist ein „stabilisierender Pufferbetrieb” der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 dargestellt. In diesem stabilisierenden Pufferbetrieb wird der Verbraucher 20 nicht mehr aus dem Energiespeicher 10, sondern aus dem Pufferspeicher 40 mit Spannung versorgt („Ausgang EIN über Pufferspeicher”), da die Spannung U1 unter die für den Betrieb des Gleichspannungswandlers 35 erforderliche Spannung abgesunken ist, d. h. U1 ist kleiner als die zweite Grenzspannung Ugs2. U1 ist somit kleiner als 5 V. Die Versorgung des Verbrauchers erfolgt über den Gleichspannungswandler 35, der aus dem Pufferspeicher 40 gespeist wird. Hierzu werden die Schaltelement S1, S3 und S5 sperrend (”0”) geschaltet, während die Schaltelemente S2 und S4 leitend („1”) geschaltet werden.
Der stabilisierende Pufferbetrieb ist möglich, solange die Spannung U3 des Pufferspeichers 40 größer als die für den Betrieb des Gleichspannungswandlers 35 erforderliche Mindestspannung ist, d. h. U3 muss größer als die zweite Grenzspannung Ugs2 und damit größer als 5 V sein. Die von dem Gleichspannungswandler 35 bereit gestellte Spannung U2 kann zwischen 10 und 16 V betragen. Wie im vorangegangen stabilisierenden Normalbetrieb kann, um Spannungssprünge zu vermeiden, die Spannung U2 auf 10 V geregelt werden. Wurde der Verbraucher 20 vorher mit 10 V betrieben und ist ein Spannungssprung für den Verbraucher 20 tolerierbar, so kann die Spannung auch auf 16 V geregelt werden. Ebenso kann in diesem Fall die Spannung U2 in einer Rampe von 10 V auf 16 V kontinuierlich erhöht werden. Eine entsprechende Steuerung erfolgt mittels des Signals s1 durch die Steuereinheit 34. Eine Erhaltungsladung des Pufferspeichers 40 findet im stabilisierenden Notbetrieb in diesem Ausführungsbeispiel nicht statt, d. h. das Schaltelement S5 ist sperrend („0”) geschaltet.
Sinkt die Spannung U3 des Pufferspeichers aufgrund der andauernden Entladung unter die zweite Grenzspannung Ugs2 ab, so erfolgt eine Sicherheitsabschaltung, in welcher der Verbraucher 20 nicht mehr mit Spannung versorgt werden kann („Ausgang AUS, Sicherheitsabschaltung”). In diesem in Zeile Nr. 5 der Tabelle in 2 gezeigten Zustand sind bzw. werden alle Schaltelemente S1 bis 85 sperrend („0”) geschaltet. Die Spannung U2 am Ausgang des Gleichspannungswandlers 35 ist 0 V. Die Spannung U1 ist hier immer noch kleiner als die zweite Grenzspannung Ugs2 und beträgt zwischen 0 und 5 V.
Die vorgeschlagene Vorrichtung 30 ermöglicht somit einen späteren Entladebeginn des Pufferspeichers 40, was eine längere Versorgung des Verbrauchers 20 ermöglicht. Ferner kann der Pufferspeicher 40 bis zu einer Mindestspannung für den Betrieb des Gleichspannungswandlers und damit im Vergleich zu den bekannten Lösungen wesentlich tiefer entladen werden, was ebenfalls eine längere Versorgung des Verbrauchers 20 ermöglicht. Weiter kann der Pufferspeicher 40 auf eine maximal mögliche Spannung aufgeladen werden, was zusätzlich einen vergrößerten Spannungshub mit sich bringt und eine weiter längere Versorgung des Verbrauchers 20 ermöglicht. Jede Maßnahme bringt einzeln für sich sowie im Verbund eine maximierte Pufferleistung des Pufferspeichers 40 mit sich.
Im Ergebnis wird der mit dieser Vorrichtung betriebene Verbraucher unabhängig von Schwankungen oder Ausfällen des Energiespeichers optimal stabilisiert. Im Normalbetrieb entsteht keine Verlustleistung. Ferner können keine kritischen Verbraucherspannungszustände entstehen.
Bezugszeichenliste

10: Energiespeicher
11: Versorgungsklemme des Energiespeichers 10
20: Verbraucher
21: Versorgungseingang der Verbrauchers 20
30: Vorrichtung zu stabilisierenden Versorgung des Verbrauchers 20
31: Eingang der Vorrichtung 30 (IN)
32: Ausgang der Vorrichtung 30 (OUT)
33: Eingang für Pufferspeicher 40
34: Steuereinheit
35: Gleichspannungswandler
36: Eingang des Gleichspannungswandlers
37: Ausgang des Gleichspannungswandlers
38: Versorgungseingang für Steuereinheit 34
40: Pufferspeicher
S1: erstes Schaltelement
S2: zweites Schaltelement
S3: drittes Schaltelement
S4: viertes Schaltelement
S5: fünftes Schaltelement
U1: Eingangsspannung der Vorrichtung am Eingang 31
U2: Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 35
U3: Spannung des Pufferspeichers 40
Ugs1: erste Grenzspannung
Ugs2: zweite Grenzspannung
m1: Messsignal, das die Eingangsspannung U1 der Vorrichtung am Eingang 31 repräsentiert
m2: Messsignal, das die Ausgangsspannung U2 des Gleichspannungswandlers repräsentiert
m3: Messsignal, das die Spannung U3 des Pufferspeichers 40 repräsentiert
s1: Steuersignal für den Gleichspannungswandler

Claims

Vorrichtung (30) zur stabilisierenden Versorgung eines im Normalbetrieb aus einem Energiespeicher (10) versorgten Verbrauchers (20) aus einem Pufferspeicher (40), wobei die Vorrichtung (30) einen Gleichspannungswandler (35), eine Mehrzahl von steuerbaren Schaltelementen (S1, ..., S5) und eine Steuereinheit (34) zur Steuerung des Schaltzustands (1; 0) der Mehrzahl an steuerbaren Schaltelementen (S1, ..., S5) in Abhängigkeit einer Eingangsspannung (U1) der Vorrichtung (30) umfasst, wobei die Vorrichtung (30) dazu ausgebildet ist, a) den Verbraucher (20) im Normalbetrieb unter Umgehung von Verlustleistung aufweisenden Komponenten direkt aus dem Energiespeicher (10) zu versorgen, wenn die Eingangsspannung (U1) größer als eine vorgegebene erste Grenzspannung (Ugs1) ist, wobei die erste Grenzspannung (Ugs1) eine Mindestspannung des Verbrauchers zu dessen Versorgung ist; b) den Verbraucher (20) über den aus dem Energiespeicher (10) gespeisten Gleichspannungswandler (35) zu versorgen, wenn die Eingangsspannung (U1) unter die erste vorgegebene Grenzspannung (Ugs1) sinkt, wobei der Gleichspannungswandler (35) die Eingangsspannung auf eine Betriebsspannung des Verbrauchers wandelt; und c) den Gleichspannungswandler (35) aus dem Pufferspeicher (40) zu speisen, wenn die Eingangsspannung unter eine zweite vorgegebene Grenzspannung (Ugs2) sinkt bis eine Spannung (U3) des Pufferspeichers (40) die zweite vorgegebene Grenzspannung (Ugs2) erreicht, wobei die zweite vorgegebene Grenzspannung (Ugs2) eine Mindestspannung des Gleichspannungswandlers (35) zu dessen Betrieb ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der diese ein steuerbares drittes Schaltelement (S3) umfasst, über das der Verbraucher (20) direkt mit dem Energiespeicher (10) verbindbar ist, wodurch der Verbraucher (20) im Normalbetrieb unter Umgehung von Verlustleistung aufweisenden Komponenten aus dem Energiespeicher versorgbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der diese ein steuerbares viertes Schaltelement (S4) umfasst, das zwischen einem Ausgang (37) des Gleichspannungswandlers (35) und einem Ausgang (32) der Vorrichtung verschaltet ist, wobei über das vierte Schaltelement (S4) der Gleichspannungswandler (35) mit dem Verbraucher (20) verbindbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der diese ein steuerbares erstes Schaltelement (S1) umfasst, das zwischen einem Eingang (36) des Gleichspannungswandlers (35) und einem Eingang (31) der Vorrichtung verschaltet ist, wobei über das erste Schaltelement (S1) der Gleichspannungswandler (35) mit dem Energiespeicher (10) verbindbar ist, wodurch der Verbraucher (20) über den aus dem Energiespeicher (10) gespeisten Gleichspannungswandler (35) versorgbar ist, wenn die Eingangsspannung (U1) unter die erste vorgegebene Grenzspannung (Ugs1) sinkt.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der diese ein steuerbares zweites Schaltelement (S2) umfasst, das zwischen dem Eingang (36) des Gleichspannungswandlers (35) und einem Anschluss (33) für den Pufferspeicher (40) verschaltet ist, wodurch der Verbraucher (20) über den aus dem Pufferspeicher (40) gespeisten Gleichspannungswandler (35) versorgbar ist, wenn die Eingangsspannung (U1) unter die zweite vorgegebene Grenzspannung (Ugs2) sinkt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste und das zweite Schaltelement (S1, S2) in einem Regelbetrieb nicht den gleichen Schaltzustand (1; 0) aufweisen, wobei der Regelbetrieb alle Betriebszustände mit Ausnahme einer Sicherheitsabschaltung, bei der alle Schaltelemente (S1, ..., S5) der Vorrichtung sperrend geschaltet sind, umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der diese ein steuerbares fünftes Schaltelement (S5) umfasst, das zwischen dem Ausgang (37) des Gleichspannungswandlers (35) und dem Anschluss (33) für den Pufferspeicher (40) verschaltet ist, wodurch der Pufferspeicher (40) geladen werden kann.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinheit (34) aus dem Pufferspeicher mit Spannung versorgt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinheit (34) dazu ausgebildet ist, die Eingangsspannung (U1), die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (U2) und die Spannung des Pufferspeichers (40) messtechnisch zu erfassen und abhängig von diesen die Schaltzustände (1; 0) der Schaltelemente (S1, ..., S5) zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Pufferspeicher (33) ein elektrochemischer Kondensator (Superkondensator, Ultrakondensator) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Pufferspeicher (40) Bestandteil der Vorrichtung ist.