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Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsvorrichtung insbesondere für ein Flugzeug, ein Automobil, eine Hausversorgung und/oder weitere Applikationen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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In Flugzeugen werden Batteriesysteme eingesetzt, um unterschiedliche Verbraucher mit Energie zu versorgen. Derartige Batteriesysteme können alternativ oder ergänzend zu mobilen Generatoren in den Flugzeugen eingesetzt werden. Um eine ausreichende Kapazität bereitstellen zu können, weisen derartige Batteriesysteme eine Vielzahl von elektrischen Einzelzellen auf, die miteinander elektrisch verkoppelt sind. Nachdem nicht auszuschließen ist, dass derartige Speicherzellen im Betrieb ausfallen können, sind Konzepte für Batteriesysteme entwickelt worden, die die Speicherzellen unterschiedlich verschalten können, um auf einen Ausfall einzelner Speicherzellen reagieren zu können.
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Beispielsweise offenbart die Druckschrift
DE 10 2011 053 728 A1 ein Batteriesystem mit mindestens einer Batterie, die mehrere in Serie geschaltete Energiespeichermodule aufweist. Jedem der Energiespeichermodule ist eine Kontrolleinheit zugeordnet, wobei eine Master-Master-Systemarchitektur umgesetzt wird, sodass jedes der Energiespeichermodule selektiv abgeschaltet werden kann.
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Die
US 2012/0056478 A1 offenbart eine Energieversorgungs-Steuervorrichtung für eine Batterie mit einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Zellen, mit einer Spannungswandlereinheit, die eine Spannung an der Batterie herabsetzt, um die herabgesetzte Spannung an eine erste Last zu liefern, mit einer ersten Öffnungs- und Schließeinheit, die einen Versorgungspfad einer ersten Leistung von der Batterie zu der Spannungswandlereinheit und einer zweiten Last öffnet und schließt, mit einer Batteriesteuereinheit, die eine Unregelmäßigkeit der Batterie erkennt, das Öffnen und Schließen der ersten Öffnungs- und Schließeinheit steuert und durch eine zweite von der Batterie gelieferte Leistung oder eine dritte von der Spannungsumwandlungseinheit gelieferte Leistung betrieben wird, wobei die zweite Leistung niedriger als die erste Leistung ist, und mit einer zweiten Öffnungs- und Schließeinheit, die einen Versorgungspfad der zweiten Leistung von der Batterie zur Batterie-Steuereinheit öffnet und schließt.
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Die
DE 10 2012 010 711 A1 offenbart eine Bordnetzanordnung für ein Fahrzeug, umfassend zumindest ein erstes Bordnetz zum Bereitstellen einer ersten elektrischen Spannung und ein zweites Bordnetz zum Bereitstellen einer zweiten elektrischen Spannung, wobei die zweite elektrische Spannung einen höheren Wert aufweist als die erste elektrische Spannung. Die beiden Bordnetze sind mit einem gemeinsamen elektrischen Energiespeicher elektrisch verbindbar oder verbunden, wobei der elektrische Energiespeicher eine Mehrzahl von Speichereinheiten mit jeweils vorgegebenen Ausgangsspannungswerten aufweist, wobei das zweite Bordnetz im mit dem elektrischen Energiespeicher elektrisch verbundenen Zustand mit einer Anzahl seriell elektrisch miteinander verschalteter Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers elektrisch verbunden ist, deren Gesamtausgangsspannungswert einem vorgegebenen Eingangsspannungswert des zweiten Bordnetzes entspricht und wobei das erste Bordnetz zu dessen elektrischer Energieversorgung im mit dem elektrischen Energiespeicher elektrisch verbundenen Zustand mit einer Speichereinheit oder mit einer Anzahl seriell elektrisch miteinander verschalteter Speichereinheiten des elektrischen Energiespeichers elektrisch verbunden ist, deren Ausgangsspannungswert bzw. deren Gesamtausgangsspannungswert einem vorgegebenen Eingangsspannungswert des ersten Bordnetzes entspricht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energieversorgungsvorrichtung insbesondere für ein Flugzeug, ein Automobil, insbesondere einen Personenkraftwagen, Lastkraftwagen oder Bus, im Speziellen ein Elektromobil oder ein Hybridmobil, eine Hausversorgung und weitere Applikationen, wie z. B. als ein Zwischenpuffer als schneller Energielieferant bereitzustellen, welche fehlertolerant einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Energieversorgungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Flugzeug mit der Energieversorgungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
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Die Erfindung betrifft damit eine Energieversorgungsvorrichtung, welche insbesondere für ein Flugzeug, ein Automobil, eine Hausversorgung und weitere Applikationen geeignet und/oder ausgebildet ist. Insbesondere ist die Energieversorgungsvorrichtung als ein Batteriesystem ausgebildet. Die Energieversorgungsvorrichtung ist besonders bevorzugt zur Versorgung von Sekundärverbrauchern in dem Flugzeug ausgebildet. Vorzugsweise sind die Sekundärverbraucher als Informations- bzw. Komfortsysteme für die Fluggäste vorgesehen und/oder dienen nicht primär der Fortbewegung des Flugzeugs. Insbesondere wird über die Energieversorgungsvorrichtung eine Innenraumbeleuchtung, eine Notbeleuchtung, eine Beschallungsanlage etc. als Sekundärverbraucher mit Energie versorgt. Die Energieversorgungsvorrichtung ist insbesondere als eine Gleichspannungsversorgungsvorrichtung ausgebildet. Um eine gute Integration der Energieversorgungsvorrichtung in dem Flugzeug zu erreichen, ist es bevorzugt, dass diese als eine Einbaukomponente für das Flugzeug realisiert ist. Insbesondere ist die Energieversorgungsvorrichtung als eine selbsthaltende und/oder einbaufertige Baugruppe ausgebildet.
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Alternativ kann die Energieversorgungseinrichtung zur Versorgung eines Automobiles mit Energie für einen Antriebsstrang oder zur Versorgung von Verbrauchern in einem Haus als Hausversorgung ausgebildet sein. Es sind im Rahmen der Erfindung weitere Applikationen möglich. So ist es möglich, dass die Energieversorgungsvorrichtung zusammen mit einem Brennstoffzellensystem als Zwischenspeicher für elektrische Energie verwendet wird. Es ist auch denkbar, dass die Energieversorgungsvorrichtung für eine Outdoor-Applikation, wie z. B. eine autarke Stromversorgung oder autarke Stromhilfsversorgung ausgebildet ist.
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Die Energieversorgungsvorrichtung weist einen Hauptversorgungsausgang auf, welcher insbesondere in einem Normalbetrieb der Energieversorgungsvorrichtung zur Ausgabe einer Hauptversorgungsspannung ausgebildet ist. Die Hauptversorgungsspannung ist insbesondere als eine Gleichspannung ausgebildet. Der Hauptversorgungsausgang kann beispielsweise als ein Pluspol ausgebildet sein. Die Energieversorgungsvorrichtung weist besonders bevorzugt einen Masseausgang auf, wobei insbesondere in dem Normalbetrieb zwischen dem Hauptversorgungsausgang und dem Masseausgang die Hauptversorgungsspannung anliegt.
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Die Energieversorgungsvorrichtung weist eine Mehrzahl von Batteriemodulen auf, wobei jedes der Batteriemodule als ein Energiespeichermodul ausgebildet und insbesondere als ein wiederaufladbares Energiespeichermodul realisiert ist. Die Batteriemodule können jeweils baugleich ausgebildet sein, es ist jedoch auch möglich, dass die Batteriemodule in der Energieversorgungsvorrichtung unterschiedlich realisiert sind. So ist es beispielsweise im Rahmen der Erfindung möglich, dass bestimmte der nachfolgend beschriebenen Funktionen nur in einer Teilmenge der Batteriemodule umgesetzt sind, wobei diese Batteriemodule als aktive Batteriemodule bezeichnet werden können. Dagegen ist es im Rahmen der Erfindung möglich, dass andere Batteriemodule weniger oder keine Funktionen der nachfolgend beschriebenen Funktionen aufweisen, wobei diese Batteriemodule als passive Batteriemodule bezeichnet werden können.
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Die Energieversorgungsvorrichtung umfasst eine Versorgungsschaltanordnung, welche zur Verschaltung der Batteriemodule oder zumindest einer Auswahl, insbesondere einer Teilmenge der Batteriemodule ausgebildet ist. Die Versorgungsschaltanordnung kann insbesondere als eine Kombination von Schaltern und Verbindungsleitungen ausgebildet sein. Im Speziellen ist die Versorgungsschaltanordnung als eine Schaltmatrix ausgebildet. Es ist auch möglich, dass die Versorgungsschaltanordnung weitere elektrische Komponenten, wie zum Beispiel Sensoren, Sicherungen etc. aufweist. Die Versorgungsschaltanordnung ist ausgebildet, in einem Normalbetrieb der Energieversorgungsvorrichtung alle Batteriemodule, einige Batteriemodule oder die Auswahl der Batteriemodule in Serie zu schalten und die in Serie geschalteten Batteriemodule an den Hauptversorgungsausgang zu koppeln, um die Hauptversorgungsspannung bereitzustellen. Durch die Serienschaltung der Batteriemodule wird in bekannter Weise eine hohe Hauptversorgungsspannung erreicht.
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Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Energieversorgungsvorrichtung zudem mindestens oder genau einen Notversorgungsausgang und eine Rekonfigurationsschaltanordnung aufweist. Der Notversorgungsausgang ist vorzugsweise unabhängig von dem Hauptversorgungsausgang ausgebildet. Die Rekonfigurationsschaltanordnung kann eine Kombination von Schaltern und Leitern umfassen. Optional kann diese weitere Komponenten wie Sensoren, Sicherungen, etc. aufweisen.
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Die Rekonfigurationsschaltanordnung ist schaltungstechnisch und/oder programmtechnisch ausgebildet, in einem Notbetrieb der Energieversorgungsvorrichtung mindestens eines der Batteriemodule an den Notversorgungsausgang zu koppeln, sodass eine Notversorgungsspannung bereitgestellt ist. Die Notversorgungsspannung ist besonders bevorzugt als eine Gleichspannung ausgebildet, wobei der Betrag der Notversorgungsspannung kleiner als der Betrag der Hauptversorgungsspannung ausgebildet ist.
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Somit stellt die Energieversorgungsvorrichtung mindestens oder genau zwei Ausgänge, insbesondere den Hauptversorgungsausgang und den Notversorgungsausgang, zur Ausgabe einer Versorgungsspannung bereit. Beispielsweise können die Ausgänge örtlich voneinander beabstandet sein.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die Energieversorgungsvorrichtung entweder eine Hauptversorgungsspannung an den Hauptversorgungsausgang anlegt oder alternativ hierzu die Notversorgungsspannung an den Notversorgungsausgang anlegt. In dieser Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Energieversorgungsvorrichtung solange eine Hauptversorgungsspannung bereitstellt und diese über die normalen Verteilungswege an die Verbraucher, insbesondere an die Sekundärverbraucher, weiterleitet, solange dies für die Energieversorgungsvorrichtung möglich ist. Für den Fall, dass Fehler in der Energieversorgungsvorrichtung auftreten, insbesondere, dass Batteriemodule oder Teile der Batteriemodule ausfallen, oder dass die Energieversorgungsvorrichtung erschöpft/leer ist, kann – sobald aufgrund der aufgetretenen Fehler oder Erschöpfung die Hauptversorgungsspannung nicht mehr bereitgestellt werden kann – der Hauptversorgungsausgang ausgeschaltet und der Notversorgungsausgang aktiviert werden. An dem Notversorgungsausgang kann dann eine reduzierte Notversorgungsspannung als Versorgungsspannung bereitgestellt werden, welche einen Notbetrieb der Verbraucher, insbesondere der Sekundärverbraucher in dem Flugzeug ermöglicht.
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Es ist dabei ein Vorteil der Erfindung, dass neben der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung kein zusätzliches Notversorgungsmodul an Bord des Flugzeugs, des Automobils oder bei den anderen Anwendungen vorgehalten werden muss, um eine Notversorgung zu garantieren. Stattdessen ist vorgesehen, dass die Energieversorgungsvorrichtung durch die Rekonfigurationsschaltanordnung derart rekonfigurierbar ist, dass diese von dem Normalbetrieb in den Notbetrieb umgeschaltet werden kann. Insbesondere ist bei dem Umschalten vorgesehen, dass Batteriemodule, welche zur Bereitstellung der Hauptversorgungsspannung beteiligt waren, nachfolgend bei der Bereitstellung der Notversorgungsspannung beteiligt sind. Sollten somit Batteriemodule oder Teile von Batteriemodulen ausfallen und der Normalbetrieb nicht mehr aufrecht erhalten werden können, so werden die verbleibenden Batteriemodule oder Teile der verbleibenden Batteriemodule auf den Notversorgungsausgang umgeschaltet, um die Notversorgungsspannung bereitzustellen.
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Es ist dabei bevorzugt vorgesehen, dass an dem Notversorgungsausgang in dem Notbetrieb genau ein Batteriemodul angekoppelt ist. Sollte beispielsweise die Energieversorgungsvorrichtung drei oder mehr Batteriemodule aufweisen, so würde es für die Aufrechterhaltung des Notbetriebs bereits ausreichen, dass genau eines der Batteriemodule an dem Notversorgungsausgang angekoppelt ist.
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Für den Fall, dass die Batteriemodule oder eine Auswahl und/oder eine echte Teilmenge der Batteriemodule in dem Notbetrieb an den Notversorgungsausgang zur Bereitstellung der Notversorgungsspannung angekoppelt werden sollen, so ist die Rekonfigurationsschaltanordnung vorzugsweise ausgebildet, die Batteriemodule beziehungsweise die Auswahl der Batteriemodule in einer Parallelschaltung zu betreiben. Auf diese Weise wird zwar ein geringes Spannungsniveau am Notversorgungsausgang bereitgestellt, das Spannungsniveau ist aufgrund der parallel geschalteten Batteriemodule jedoch in der Lage eine größere Leistung stabil auszugeben, was sich vorteilhaft in einem Notbetrieb auswirkt.
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Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist die Rekonfigurationsschaltanordnung noch flexibler ausgebildet, wobei die Batteriemodule oder eine Auswahl und/oder eine echte Teilmenge der Batteriemodule in eine serielle Schaltung gekoppelt werden können, um an den Notversorgungsausgang angeschlossen werden zu können. Es ist auch möglich, dass die Batteriemodule in einer Mischung aus Reihenschaltung und Parallelschaltung miteinander verschaltet werden können, um die Notversorgungsspannung bereitzustellen.
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Bei einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung weisen die Batteriemodule jeweils mehrere Speicherzellen auf. Jede der Speicherzellen kann beispielsweise als eine galvanische Zelle realisiert sein. Die Speicherzellen sind innerhalb eines der Batteriemodule in mindestens zwei Batterieblöcke aufgeteilt, wobei die Speicherzellen von einem Batterieblock vorzugsweise elektrisch parallel zueinander angeordnet sind. Dagegen ist es bevorzugt, dass die Batterieblöcke in dem Batteriemodul elektrisch seriell zueinander angeordnet oder zumindest anordenbar sind.
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Durch die parallele Schaltung der Speicherzellen in die Batterieblöcke wird erreicht, dass eine konstante Blockspannung und/oder eine höhere Leistung für die Applikation bereitgestellt werden kann. Durch die Seriellschaltung der Batterieblöcke wird erreicht, dass zumindest im Normalbetrieb eine Modulhauptspannung der Batteriemodule bereits ein Mehrfaches der Einzelspannungen der Speicherzellen erreicht. Die Modulhauptspannung ist insbesondere die zwischen Eingang und Ausgang des Batteriemoduls anliegende Spannung, wenn alle Batterieblöcke des Batteriemoduls zu der Spannung beitragen.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rekonfigurationsschaltanordnung ausgebildet ist, wahlweise eine beziehungsweise die Modulhauptspannung und eine oder mehrere Modulzwischenspannungen aus dem Batteriemodul auszukoppeln. Die Modulhauptspannung entspricht dabei bevorzugt der Gesamtspannung bei einer Reihenschaltung aller Batterieblöcke in dem Batteriemodul. Die eine oder mehrere Modulzwischenspannungen entsprechen dagegen der Spannung von mindestens einem Batterieblock oder der Gesamtspannung von mindestens zwei in Reihe geschalteten Batterieblöcken. Durch die Rekonfigurationsschaltanordnung wird somit erreicht, dass im Fall eines Fehlers zum Beispiel in einer Speicherzelle nur der zugehörige Batterieblock deaktiviert werden muss, die verbleibenden Batterieblöcke in dem gleichen Batteriemodul jedoch zumindest für den Notbetrieb genutzt werden können.
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Besonders bevorzugt ist, dass mehrere Notversorgungsausgänge vorgesehen sind, wobei beispielsweise ein erster Notversorgungsausgang als Notversorgungsspannung die Modulhauptspannung aufweist. Ein weiterer der Notversorgungsausgänge weist beispielsweise eine der Modulzwischenspannungen als Notversorgungsspannung auf.
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In einer bevorzugten konstruktiven Ausgestaltung weist jedes der insbesondere aktiven Batteriemodule jeweils Rekonfigurationsschalter als Komponenten der Rekonfigurationsschaltanordnung auf, welche es ermöglichen, dass das Batteriemodul die Modulhauptspannung oder die Modulzwischenspannung ausgibt. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Rekonfigurationsschalter lokal in dem Batteriemodul angeordnet sind.
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Bei einer möglichen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Versorgungsschaltanordnung eine Mehrzahl von Bypass-Einrichtungen aufweist, wobei die Bypass-Einrichtungen als Modulbypass-Einrichtungen zur Überbrückung eines zugeordneten Batteriemoduls oder als Blockbypass-Einrichtungen zur Überbrückung eines Teilbereichs, insbesondere eines Batterieblocks des zugeordneten Batteriemoduls in dem Normalbetrieb ausgebildet sind. Fällt in einem Fehlerfall eines der aktivierten Batteriemodule aus, so kann dieses über die Bypass-Einrichtung aus der Reihenschaltung herausgenommen werden. Somit kann bereits über die Mehrzahl der Bypass-Einrichtungen sichergestellt werden, dass eine gewisse Anzahl von Fehlern in den Batteriemodulen abgefangen werden kann, ohne dass eine Umschaltung in den Notbetrieb erforderlich ist und zum Beispiel Passagiere in dem Flugzeug oder in dem Automobil oder bei den anderen Anwendungen Kenntnis von den Fehlern erhalten. Sollte die Anzahl der ausfallenden Batteriemodule jedoch zu groß werden, so kann von dem Normalbetrieb in den Notbetrieb umgeschaltet werden, wie dies zuvor beschrieben wurde.
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In einer möglichen konstruktiven Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Batteriemodule, insbesondere die aktiven Batteriemodule, jeweils Bypass-Schalter als Bypass-Einrichtungen aufweisen, um das Batteriemodul und/oder die Batterieblöcke zu überbrücken, wobei die Bypass-Schalter in dem Batteriemodul angeordnet sind.
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Es ist besonders bevorzugt, dass die Energieversorgungsvorrichtung eine Steueranordnung zur Steuerung der Versorgungsschaltanordnung und der Rekonfigurationsschaltanordnung zum Umschalten zwischen dem Normalbetrieb und dem Notbetrieb der Energieversorgungsvorrichtung aufweist. Besonders bevorzugt ist die Steueranordnung als eine Master-Slave-Anordnung ausgebildet, wobei ein Kontrollcomputer als eine Master-Steuereinrichtung mit lokalen Steuereinrichtungen als Slave-Steuereinrichtungen kommuniziert, wobei die lokalen Steuereinrichtungen in dem jeweiligen Batteriemodul angeordnet sind. Die Kommunikation zwischen dem Kontrollcomputer und der lokalen Steuereinrichtung ist besonders bevorzugt galvanisch entkoppelt ausgebildet. Die lokale Steuereinrichtung kann neben den Schaltfunktionen zudem Überwachungsfunktionen und Batteriemanagementfunktionen übernehmen.
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Besonders bevorzugt ist mindestens eines der Batteriemodule als eines der bereits beschriebenen aktiven Batteriemodule ausgebildet, welches als integrierte Komponenten die Rekonfigurationsschalter, die Bypass-Schalter und/oder die lokale Steuereinrichtung aufweist. Besonders bevorzugt ist das aktive Batteriemodul als eine Austausch-Baueinheit realisiert, welche zum Beispiel bei einem Ausfall in einfacher Weise entnommen und durch ein baugleiches Batteriemodul ersetzt werden kann.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung bildet ein Flugzeug mit der Energieversorgungsvorrichtung, wie diese zuvor beschrieben wurde, wobei die Energieversorgungsvorrichtung zur Versorgung von Sekundärverbrauchern in dem Flugzeug integriert ist. Insbesondere kann der Hauptversorgungsausgang mit Beleuchtungseinrichtungen etc. verkoppelt sein. Alternativ oder ergänzend ist der Notversorgungsausgang mit einem DC/DC-Wandler verkoppelt, welcher es ermöglicht, die Notversorgungsspannung auf die gleiche Höhe wie die Hauptversorgungsspannung zu transformieren. Alternativ oder ergänzend hierzu wird über den Notversorgungsausgang zum Beispiel eine Hilfsturbine angetrieben.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung kann ein Verfahren zum Betreiben der Energieversorgungsvorrichtung in einem Flugzeug, Automobil, Hausversorgung oder weitere Applikationen betreffen, wobei die Energieversorgungsvorrichtung wie zuvor beschrieben ausgebildet ist. Bei dem Verfahren werden zunächst Sekundärverbraucher des Flugzeugs, des Automobils, der Hausversorgung und/oder weiterer Applikationen mit einer Hauptversorgungsspannung über den Hauptversorgungsausgang versorgt. Nachfolgend wird die Energieversorgungsvorrichtung von dem Normalbetrieb in den Notbetrieb umgeschaltet. Nach dem Umschalten werden Sekundärverbraucher des Flugzeugs, des Automobils, der Hausversorgung und/oder weiterer Applikationen mit der Notversorgungsspannung über den Notversorgungsausgang versorgt.
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Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer Energieversorgungsvorrichtung für ein Flugzeug als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 eine alternative Ausgestaltung der Energieversorgungsvorrichtung in der 1;
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3 ein Batteriemodul aus der Energieversorgungsvorrichtung in der 2.
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Einander entsprechende oder gleiche Teile werden nachfolgend mit einander entsprechenden oder gleichen Bezugszeichen versehen.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung eine Energieversorgungsvorrichtung 1, welche in einem nur als Rahmen schematisiert dargestellten Flugzeug 2 integriert ist. Die Energieversorgungsvorrichtung 1 weist einen Hauptversorgungsausgang 3 zur Versorgung von Verbrauchern, insbesondere Sekundärverbrauchern in dem Flugzeug 2 auf. Dem Hauptversorgungsausgang 3 ist bei dem Ausführungsbeispiel in der 1 ein separater Massehauptausgang 4 zugeordnet.
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Ferner weist die Energieversorgungsvorrichtung 1 mehrere, in diesem Beispiel zwei, Notversorgungsausgänge 5a, b sowie einen zugeordneten Massenotausgang 6 auf.
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An dem Hauptversorgungsausgang 3 liegt in einem Normalbetrieb gegenüber dem Massehauptausgang 4 eine Hauptversorgungsspannung UH an. An den Notversorgungsausgängen 5a, b liegen in einem Notbetrieb Notversorgungsspannungen UN1, UN2 an. Die Hauptversorgungsspannung UH und die Notversorgungsspannungen UN1 und UN2 sind als Gleichspannungen ausgebildet, wobei die Spannungshöhe, insbesondere der Betrag der Spannungshöhe bei der Hauptversorgungsspannung UH größer als bei der Notversorgungsspannungen UN1 und UN2 ausgebildet ist. Ggf. Differenzspannung siehe 28.
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Funktional betrachtet kann die Energieversorgungsvorrichtung 1 in dem Normalbetrieb und in dem Notbetrieb betrieben werden, wobei in dem Normalbetrieb über den Hauptversorgungsausgang die Hauptversorgungsspannung UH bereitgestellt wird und die Notversorgungsausgänge 5a, b deaktiviert sind. In dem Notbetrieb ist dagegen der Hauptversorgungsausgang 3 deaktiviert und über die Notversorgungsausgänge 5a, b wird alternativ eine der Notversorgungsspannungen UN1 oder UN2 oder beide Notversorgungsspannungen UN1 und UN2 bereitgestellt. Die Notversorgungsspannungen UN1 und UN2 sind in Bezug auf Masse in der Spannungshöhe unterschiedlich ausgebildet, wobei die Spannungshöhe der Notversorgungsspannung UN1 betragsmäßig größer als die Spannungshöhe der Notversorgungsspannung UN2 ist. Es ist auch möglich, dass die Notversorgungsspannungen UN1 und UN2 als Differenzspannung verwendet werden.
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Die Energieversorgungsvorrichtung 1 umfasst eine Mehrzahl – in diesem Beispiel drei – Batteriemodule 7a, b, c, wobei die Batteriemodule 7a, c detailliert dargestellt sind. In den Batteriemodulen 7a, c sind jeweils mehrere, in diesem Beispiel drei, Batterieblöcke 8a, b, c, angeordnet, wobei in den Batterieblöcken 8a, b, c jeweils mehrere Speicherzellen angeordnet und parallel miteinander verschaltet sind. Die Speicherblöcke 8a, b, c sind untereinander in dem jeweiligen Batteriemodul 7a, c seriell oder in Reihe zueinander geschaltet. Insgesamt ergibt sich somit eine Struktur, in der X Speicherzellen parallel und Y Speicherzellen zueinander parallel miteinander verschaltet sind (xPyS). Somit weist jeder Batterieblock 8a, b, c eine Speicherzellenmatrix auf, welche zu X Speicherzellen parallel und Y Speicherzellen seriell verschaltet ist (xPyS). Die Batterieblöcke 8a, b, c sind miteinander in Serie verschaltet.
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Das Batteriemodul 7b weist dagegen einen nicht genauer gezeigten Aufbau auf, welcher ebenfalls aus einer Struktur gebildet sein kann, die X parallel verschaltete und Y seriell verschaltete Speicherzellen aufweisen kann. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Speicherkapazität des Batteriemoduls 7b größer als die addierte Speicherkapazität der Batteriemodule 7a, b ist. Diese Dimensionierung würde berücksichtigen, dass das Batteriemodul 7b maßgeblich für den Normalbetrieb ausgelegt ist und die Batteriemodule 7a, c für den Notbetrieb ausgelegt sind.
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Die Energieversorgungsvorrichtung 1 weist eine Versorgungsschaltanordnung 10 auf, welche die Batteriemodule 7a, b, c seriell miteinander verschaltet, sodass an dem Hauptversorgungsausgang 3 und dem Massehauptausgang 4 die Hauptversorgungsspannung UH anliegt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Versorgungsschaltanordnung 10 zwei oder mehr Kettenschalter 11a, b, c auf, die es ermöglichen, die serielle Verkopplung der Batteriemodule 7a, b, c zu trennen. Insbesondere ist ein erster Kettenschalter 11a zwischen dem Hauptversorgungsausgang 3 und dem ersten daran angekoppelten Batteriemodul 7a und ein letzter Kettenschalter 11c zwischen dem Massehauptausgang 4 und dem letzten Batteriemodul 7c vorgesehen. Für eine Abkopplung des Batteriemoduls 7b ist zudem ein Kettenschalter 11b vorgesehen, welcher in dem Batteriemodul 7b integriert ist und das Batteriemodul 7b vom Batteriemodul 7c elektrisch trennt. Die Versorgungsschaltanordnung 10 ist im Normalbetrieb so angesteuert, dass die Kettenschalter 11a, b, c geschlossen sind. In dem Notbetrieb werden die Kettenschalter 11a, b, c geöffnet.
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Ferner weist die Energieversorgungsvorrichtung eine Rekonfigurationsschaltanordnung 12 auf, welche ausgebildet ist, Zwischenspannungsausgänge 13a, b, c der Batteriemodule 7a, c mit den Notversorgungsausgängen 5a, b, c zu verbinden und mit den Speicherzellen der Batterieblöcke 8a, b, c zu verbinden. Zwischen den Zwischenspannungsausgängen 13a, b, c der Batteriemodule 7a, c ist eine Parallelschaltung vorgesehen, sodass alle Zwischenausgänge 13a auf den Notversorgungsausgang 5a, alle Zwischenspannungsausgänge 13b parallel auf die Notversorgungsausgänge 5b und alle Zwischenspannungsausgänge 13c auf den Massenotausgang 6 gelegt sind, wobei die genannten Zwischenspannungsausgänge jeweils parallel zueinander verschaltet sind.
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Die Batteriemodule 7a, b weisen jeweils mehrere Rekonfigurationsschalter 14a, b, c auf, wobei die Rekonfigurationsschalter 14a, b, c jeweils mit einem Eingang zu den Batterieblöcken 8a, b, c und mit einem der Zwischenausgänge 13a, b, c gekoppelt sind. So ist der Rekonfigurationsschalter 14a zwischen dem Eingang zu dem Batterieblock 8a und dem Zwischenausgang 13a, der Rekonfigurationsschalter 14b zwischen dem Eingang des Batterieblocks 8b und dem Zwischenausgang 13b und der Rekonfigurationsschalter 14c zwischen dem Eingang zu dem Batterieblock 8c und dem Zwischenspannungsausgang 13c angeordnet.
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Optional kann ein weiterer Rekonfigurationsschalter (nicht gezeigt) nach dem letzten Batterieblock 8c in einem Batteriemodul 7a, c angeordnet sein, welcher einen weiteren Zwischenspannungsausgang ankoppelt.
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In einem Notbetrieb wird zum einen der Rekonfigurationsschalter 14c geschlossen und die Rekonfigurationsschalter 14a, b geschlossen. Auf diese Weise ist es möglich, die gewünschte Notversorgungsspannung UN1 oder UN2 auf die Notversorgungsausgänge 5a oder 5b zu legen. Im Notbetrieb ist es auch möglich, dass die Notversorgungsspannung UN1, UN2 nur von einem Batteriemodul, also entweder vom Batteriemodul 7a oder von dem Batteriemodul 7c, bereitgestellt wird.
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Die Struktur der Energieversorgungsvorrichtung 1 erlaubt somit bei einem Ausfall von Speicherzellen flexibel von der Hauptspannungsversorgung über den Hauptversorgungsausgang 3 auf einen Notbetrieb über die Notversorgungsausgänge 5a, b umzuschalten. Somit kann die Energieversorgungsvorrichtung 1 in einem Fehlerfall so rekonfiguriert werden, dass auf das Mitführen einer Reserve- oder Backupbatterie verzichtet werden kann.
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Jedes der Batteriemodule 7a, b, c stellt für sich eine autonome Einheit dar, welche über eine galvanisch isolierte Schnittstelle (zum Beispiel CAN-Bus, ein anderes Bussystem oder ein Optokoppler) in ein Netzwerk mit einem Kontrollcomputer 18 als eine Master-Steuereinrichtung integrieren lässt. Jedes der Batteriemodule 7a, b, c weist eine lokale Steuereinrichtung 17 auf, welche bidirektional mit dem Kontrollcomputer 18 kommunizieren und Signale zur Verfügung stellen kann, wie zum Beispiel ein Not-Aus-Signal zur sofortigen Auftrennung der Kettenschalter 11a und 11c. Ferner kann in jedem der Batteriemodule 7a, b, c ein Batteriemanagementsystem (BMS) integriert sein, welches alle Speicherzellen zum Beispiel hinsichtlich des Ladezustandes, der Temperatur etc. überwacht. Die Energieversorgungsvorrichtung 1 kann somit in Abhängigkeit der Notlaufanforderungen eine oder sogar zeitgleich mehrere Zwischenspannungen als Notversorgungsspannung UN1, UN2, also Spannungen, die kleiner als die Modulhauptspannung sind, zur Verfügung stellen.
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Die 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei gleiche Teile oder Bereiche mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die 3 zeigt dagegen stellvertretend für die Batteriemodule 7a–7e das Batteriemodul 7a in einer Detaildarstellung.
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Die Energieversorgungsvorrichtung 1 in der 2 weist fünf Energiemodule 7a, b, c, d, e auf, welche – wie die Batteriemodule 7a, c in der 1, als aktive Batteriemodule ausgebildet sind. Jede der Batteriemodule 7a–e weist beispielhaft drei Batterieblöcke 8a, b, c auf. Jede der Batterieblöcke weist mehrere seriell zueinander geschaltete Speicherzellen 9 auf. Die Versorgungsschaltanordnung 10 ist wie die Versorgungsschaltanordnung 10 in der 1 ausgebildet, um die Batteriemodule 7a–e seriell zu verschalten. Ferner ist in Bezug auf die Anzahl der Batteriemodule 7a–e eine größere Anzahl von Kettenschaltern 11a, b, c, d, e, f, g vorgesehen.
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Die Kettenschalter 11a und 11g sind vor allen Batteriemodulen 7a–e beziehungsweise nach allen Batteriemodulen 7a–e angeordnet und dienen – wie die Kettenschalter 11a, c in der 1 – als Hauptschalter, um den gesamten Strang der Batteriemodule 7a–e elektrisch isolieren zu können. Der Massenhaupteingang 4 ist bei dem Ausführungsbeispiel in der 2 mit dem Massennotausgang 6 zusammengelegt, sodass diese eine gemeinsame Hauptmasse 19 bilden.
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Die Rekonfigurationsschaltanordnung 12 weist die bereits beschriebenen Rekonfigurationsschalter 14a, b, c auf, welche die Eingänge der Batterieblöcke 8a–c mit den Zwischenspannungsausgängen 13a–c verbinden bzw. trennen können. Bei dem Ausführungsbeispiel in der 2 sind alle Batteriemodule 7a–e als aktive Batteriemodule ausgebildet, sodass jede der Batteriemodule 7a–e an die Notversorgungsausgänge 5a, b angekoppelt werden kann.
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Die Versorgungsschaltanordnung 10 umfasst zudem eine mehrstufige Bypass-Einrichtung 20, wobei zum einen eine Modul-Bypass-Einrichtung 21 sowie Block-Bypass-Einrichtungen 22a, b vorgesehen sein können. Durch die Modul-Bypass-Einrichtung 21 wird eine Überbrückung aller Batterieblöcke 8a–c in einem Batteriemodul 7a–e erreicht. Die Modul-Bypass-Einrichtung 21 kann somit dazu verwendet werden, in dem Normalbetrieb einzelne Batteriemodule 7a–e zu überbrücken. Ist beispielsweise vorgesehen, dass die Spannungshöhe der Hauptversorgungsspannung gewisse Toleranzen erlaubt oder dass eine oder mehrere der Batteriemodule 7a–e als Ersatzmodule geplant sind, so kann in dem Normalbetrieb eine oder mehrere der Batteriemodule 7a–e als Reservemodule oder defekte Module durch die Modul-Bypass-Einrichtung 21 selektiv überbrückt werden.
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Die Block-Bypass-Einrichtungen 22a, b sind dagegen ausgebildet, einzelne Batterieblöcke 8a. b zu überbrücken, um im Normalbetrieb selektiv einzelne Batterieblöcke 8a, b, c, welche beispielsweise defekt sind, aus der Serienschaltung der Versorgungsschaltanordnung 10 elektrisch zu isolieren.
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Neben den genannten Schaltern weist die Rekonfigurationsschaltanordnung 12 noch einen Ersatzmasseschalter 23 auf und in dem Ausführungsbeispiel in der 2 ist sogar vorgesehen, dass über einen Koppelschalter 24 als ein Ersatzversorgungsschalter eine der Notversorgungsspannungen, nämlich UN1, an den Hauptversorgungsausgang 3 angekoppelt werden kann. Die Kettenschalter 11a und 11g bilden dagegen einen Hauptversorgungsschalter bzw. einen Massehauptschalter.
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Die lokale Steuereinrichtung 17 ist in der 3 in drei Blöcke unterteilt, wobei der erste Block eine galvanisch isolierte Kommunikationseinrichtung 15 zur Kommunikation mit dem Kontrollcomputer 18, der zweite Block eine Recheneinrichtung 16, wie z. B. einen Mikrokontroller, und der dritte Block ein Batteriemanagementsystem 25 visualisiert. Der Hauptversorgungsausgang 3 ist bei beiden Ausführungsbeispielen mit einem Normalversorgungsnetz 26 verbunden, welches Sekundärverbraucher wie z. B. eine Kabinenbeleuchtung des Flugzeugs oder Unterhaltungselektronik in dem Flugzeug als Sekundärverbraucher mit Energie versorgt. Die Notversorgungsausgänge 5a, b sind dagegen mit einem Hilfsversorgungsnetz 27 oder mit einem Teilabschnitt des Normalversorgungsnetzes 26 mit einigen beispielhaften Verbrauchern verbunden, wobei z. B. über einen DC/DC-Wandler 28 die Spannungshöhe zur Versorgung einer Notbeleuchtung in dem Flugzeug angepasst werden kann oder eine Hilfsturbine 29 mit Energie versorgt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Energieversorgungsvorrichtung
- 2
- Flugzeug
- 3
- Hauptversorgungsausgang
- 4
- Massehauptausgang
- 5a, b
- Notversorgungsausgänge
- 6
- Massenotausgang
- 7a, b, c, d, e
- Batteriemodule
- 8a, b, c
- Batterieblöcke
- 9
- Speicherzelle
- 10
- Versorgungsschaltanordnung
- 11a, b, c, d, e, f, g
- Kettenschalter
- 12
- Rekonfigurationsschaltanordnung
- 13a, b, c
- Zwischenspannungsausgänge
- 14a, b, c
- Rekonfigurationsschalter
- 15
- Kommunikationseinrichtung
- 16
- Recheneinrichtung
- 17
- lokale Steuereinrichtung
- 18
- Kontrollcomputer
- 19
- Hauptmasse
- 20
- Bypass-Einrichtung
- 21
- Modul-Bypass-Einrichtung
- 22a, b
- Block-Bypass-Einrichtungen
- 23
- Ersatzmasseschalter
- 24
- Koppelschalter
- 25
- Batteriemanagementsystem
- 26
- Hauptversorgungsnetz
- 27
- Hilfsversorgungsnetz
- 28
- DC/DC-Wandler
- 29
- Hilfsturbine
- UH
- Hauptversorgungsspannung
- UN1, UN2
- Notversorgungsspannungen
