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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromerzeuger mit einem elektrischen Generator, einem auf Verbrennungsbasis betriebenen Motor, der zum Antreiben des Generators mit dem Generator gekoppelt ist, einem Akkumulator zum Speichern von elektrischer Energie, einer Starkstromsteckdose, einer Schwachstromsteckdose und einer Steuereinrichtung. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines Stromerzeugers.
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Das Anforderungsprofil oder Verbraucherverhalten/Anforderung an einen Stromerzeuger kann sehr komplex sein, gerade wenn eine Vielzahl verschiedener Verbraucher, einschließlich Schwachstromverbrauchern, Starkstromverbrauchern, Verbrauchern mit hohem Leistungsbedarf, Verbrauchern mit geringem Leistungsbedarf und Verbrauchern, die immer nur in längeren oder kürzeren Intervallen betrieben werden, etc. von einem Stromerzeuger gespeist werden sollen.
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Ein Beispiel für eine solche komplexe Situation ist der Einsatz eines Stromerzeugers, auch Stromerzeugeraggregat genannt, auf einer Baustelle. Hier werden unterschiedliche Verbraucher in unterschiedlichen Zeiträumen betrieben. Die Stromerzeuger sind in der Regel so ausgelegt, dass die gesamte Bandbreite an Geräten mit Strom versorgt werden kann. Dabei muss die Auslegung des Stromerzeugers die gesamte Bandbreite vom kleinsten Elektrowerkzeug bis zum größten Starkstromverbraucher berücksichtigen. Dies führt dazu, dass die Größe eines Stromerzeugers immer vom größten anzunehmenden Starkstromverbraucher bestimmt wird.
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Im täglichen Einsatz auf Baustellen werden die Stromerzeuger jedoch nicht gleichmäßig genutzt, sondern werden mit unterschiedlichen Lasten über unterschiedliche Zeiträume beansprucht. Insbesondere die großen Starkstromverbraucher werden in der Regel nur sporadisch eingesetzt. Beispiel: Krananlage, Tauchpumpen, Kreissägen etc. Kleinere Elektrowerkzeuge befinden sich jedoch über den Tag verteilt in sehr häufiger und anhaltender Benutzung und benötigen die längsten Stromversorgungsphasen. Dies bedeutet jedoch, dass die Stromerzeuger im Tageslastprofil geschätzt mit ca. 30% der Nennleistung und somit unwirtschaftlich betrieben werden. In diesem Teillastbereichen fällt der spezifische Kraftstoffverbrauch sehr hoch aus, zudem verschleißt der Dieselmotor frühzeitig.
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Nach Überlegungen der Anmelderin könnte die Benutzung zweier Stromerzeuger Abhilfe schaffen, d.h. kleinere Elektrowerkzeuge werden im Dauerbetrieb ausschließlich über einen kleiner ausgelegten Stromerzeuger für Schwachstrom betrieben, während die Starkstromversorgung nur gelegentlich mit einem größer ausgelegtem Stromerzeuger erfolgt. Mittels dieser Maßnahme könnte man voraussichtlich den Dieselverbrauch senken, jedoch wären die Investitions- und Wartungskosten deutlich erhöht. Des Weiteren erscheint der Anmelderin ein Einsatz von zwei unterschiedlichen Stromerzeugern in der Praxis als wenig praktikabel, da beim Einstecken des Verbrauchers der Benutzer jeweils darüber entscheiden müsste, welcher der Stromerzeuger nun der geeignetste ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Stromerzeuger aufzuzeigen, der insbesondere ein verbessertes Betriebsverhalten bei einem komplexen Leistungsanforderungsprofil zeigt. Die Verbesserung soll sich insbesondere darin zeigen, dass der Stromerzeuger bei Betrachtung eines längeren Zeitabschnitts, z. B. einem halben Tag oder einem ganzen Tag, bei gleicher Gesamtleistungsabgabe einen geringeren Brennstoffverbrauch hat. Zudem soll ein entsprechendes verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Stromerzeugers aufgezeigt werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch einen Stromerzeuger mit einem elektrischen Generator, einem auf Verbrennungsbasis betriebenen Motor, der zum Antreiben des Generators mit dem Generator gekoppelt ist, einem Akkumulator zum Speichern von elektrischer Energie, einer Starkstromsteckdose, einer Schwachstromsteckdose und einer Steuereinrichtung, wobei der Akkumulator mit dem Generator elektrisch so gekoppelt ist, dass vom Generator erzeugte elektrische Energie im Akkumulator gespeichert werden kann, wobei die Starkstromsteckdose mit dem Generator elektrisch so gekoppelt ist, dass eine durch einen Starkstromverbraucher an der Starkstromsteckdose abgerufene elektrische Leistung vom Generator bereitgestellt wird, wobei die Schwachstromsteckdose mit dem Akkumulator elektrisch so gekoppelt ist, dass eine durch einen Schwachstromverbraucher an der Schwachstromsteckdose abgerufene elektrische Leistung vom Akkumulator bereitgestellt wird und wobei die Steuereinrichtung dafür ausgebildet ist, den Generator in Abhängigkeit von einer Leistungsanforderung an der Starkstromsteckdose und einem Ladezustand des Akkumulators zu betreiben.
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Eine Besonderheit eines solchen Stromerzeugers liegt darin, dass eine gezielte Zuordnung der Leistungsversorgung von Starkstromverbrauchern zum Generator und der Schwachstromverbraucher zum Akkumulator erfolgt. Die Vorteile, die sich hieraus ergeben, werden nun erläutert.
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Wenn ein Starkstromverbraucher, hierzu werden üblicherweise alle Drehstromverbraucher zählen, Leistung aus dem Stromerzeuger benötigt, wird diese Leistung durch den Generator bereitgestellt. Dies bedeutet konkret, dass jedenfalls bei einer Leistungsanforderung über die Starkstromsteckdose der Motor den Generator antreibt und der Generator den Starkstromverbraucher speist. Der Leistungsbedarf des Starkstromverbrauchers führt in aller Regel dazu, dass der Verbrennungsmotor in einem Mittellast-, Hochlast- oder Volllastbetrieb laufen muss, um die benötigte Leistung bereitzustellen. In diesen Leistungsbereichen ist der Verbrennungsmotor, bei dem es sich in aller Regel um einen Dieselmotor handelt, effizienter als im Niederlastbetrieb oder im Leerlauf.
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Zur Bestimmung einer höheren oder niedrigen Effizienz kann insbesondere das Verhältnis herangezogen werden, aus wie vielen Kilogramm Brennstoff wie viele Kilowattstunden elektrischer Energie erzeugt werden können. Diese Vergleichsgröße hat die Einheit kg/kWh. Allgemeine Erfahrungswerte besagen, dass ein Verbrennungsmotor im Leerlauf oder im Niederlastbetrieb zweimal bis dreimal weniger effizient sein kann als im Volllastbetrieb. Im Vergleich zum Mittellastbetrieb kann der Leerlauf oder der Niederlastbetrieb 1,5-mal bis 2,5-mal weniger effizient sein. Mit anderen Worten wird im Leerlauf oder im Niederlastbetrieb mehr Brennstoff benötigt, um dieselbe elektrische Energie zu erzeugen wie im Mittellast-, Hochlast- oder Volllastbetrieb.
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Wird ein Schwachstromverbraucher am Stromerzeuger betrieben, so stellt der Stromerzeuger die Leistungsanforderung des Schwachstromverbrauchers vom Akkumulator über die Schwachstromsteckdose zur Verfügung. Anders als beim Starkstromverbraucher führt ein Leistungsabruf hier also nicht zwangsläufig dazu, dass der Motor den Generator antreibt. Vielmehr ist es möglich, den Akkumulator mit einer eigenen Ladesystematik zu betreiben.
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Zur Verdeutlichung sei lediglich beispielhaft angenommen, dass ein Schwachstromverbraucher jeweils für eine Viertelstunde eine Leistung von 1 kW abruft, danach eine viertelstündige Pause erfolgt und sich dieser Prozess wiederholt. Wenn man ferner annimmt, dass der Akkumulator eine Kapazität von 4 kWh hat und der Generator mindestens 4 kW Leistung abgeben kann, so muss nach acht Stunden des zuvor genannten Betriebs des Schwachstromverbrauchers der Motor nur eine Stunde laufen, um die aus dem Akkumulator abgerufene elektrische Energie wieder dem Akkumulator zuzuführen.
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Diese Berechnung ist zwar extrem vereinfacht, verdeutlicht aber das Prinzip der Nutzung des Akkumulators. Das Laden kann dabei, je nach Auslegung des Gesamtsystems, insbesondere im oberen Niedriglastbereich oder im Mittellastbereich erfolgen, wo eine bessere Effizienz gegeben ist.
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Bei einigen bevorzugten Ausgestaltungen des Stromerzeugers beträgt die elektrische Speicherkapazität des Akkumulators mindestens 25 %, bevorzugt mindestens 40 %, besonders bevorzugt mindestens 55 % und insbesondere mindestens 70 % der maximalen elektrischen Energie, die der Generator in einer Stunde erzeugen kann. Nach Einschätzung der Anmelderin sollte die elektrische Speicherkapazität des Akkumulators mindestens 30 % betragen, da ein Dieselmotor vorzugsweise nicht unter 30 % (Niedriglast) betrieben werden sollte.
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Eine eindeutige Trennlinie zwischen Schwachstromverbrauchern und Starkstromverbrauchern ist weder für ein Verständnis noch für eine Realisierung der erfindungsgemäßen Idee erforderlich. Vielmehr sind die Begriffe ein Ausdruck dafür, dass Verbraucher mit einem geringen Leistungsbedarf, die gemäß der Erfindung vom Akkumulator versorgt werden, mit einer geringeren Stromstärke versorgt werden als die Verbraucher mit einem hohen Leistungsbedarf, die gemäß der Erfindung vom Generator versorgt werden, mit einer höheren Stromstärke versorgt werden müssen.
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Dennoch besteht eine bevorzugte Möglichkeit der Unterscheidung darin, dass Schwachstromverbraucher für einen maximalen Versorgungsstrom von zumindest ungefähr 16 A oder weniger ausgelegt sind und Starkstromverbraucher für einen maximalen Versorgungsstrom von mehr als zumindest ungefähr 16 A ausgelegt sind. Eine weitere bevorzugte Unterscheidungsmöglichkeit ist, dass Schwachstromverbraucher eine einphasige Wechselstromversorgung haben und Starkstromverbraucher eine dreiphasige Drehstromversorgung haben. Schließlich besteht eine andere bevorzugte Unterscheidungsmöglichkeit darin, dass Schwachstromverbraucher über einen Schutzkontakt-Stecker (Schuko-Stecker) verfügen und Starkstromverbraucher über einen Drehstromstecker.
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Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn eine leistungstechnische Trennung zwischen der Leistungsversorgung des Starkstromverbrauchers und der Leistungsversorgung des Schwachstromverbrauchers vorgenommen wird, sodass der Schwachstromverbraucher ausschließlich, das heißt, in jedem Betriebszustand und zu jeder Zeit, mit Leistung aus dem Akkumulator versorgt wird und dem Schwachstromverbraucher keine Leistung zugeführt wird, die am Akkumulator vorbeigeführt wird. In diesem Zusammenhang wird es zudem als zusätzlich vorteilhaft angesehen, wenn die vom Starkstromverbraucher abgerufene Leistung ausschließlich vom Generator bereitgestellt wird, das heißt, der Starkstromverbraucher wird in keinem Betriebszustand und zu keiner Zeit mit Energie aus dem Akkumulator gespeist.
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Dass der Stromerzeuger über eine Starkstromsteckdose verfügt, schließt das Vorhandensein von weiteren Starkstromsteckdosen nicht aus. Im Gegenteil, bei vielen bevorzugten Ausführungsformen wird der Stromerzeuger über mindestens zwei oder eine Mehrzahl von Starkstromsteckdosen verfügen. Dass der Stromerzeuger über eine Schwachstromsteckdose verfügt, schließt das Vorhandensein von weiteren Schwachstromsteckdosen nicht aus. Im Gegenteil, bei vielen bevorzugten Ausführungsformen wird der Stromerzeuger über mindestens zwei oder eine Mehrzahl von Schwachstromsteckdosen verfügen.
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Damit ist die Aufgabe vollständig gelöst.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung ferner dafür ausgebildet, den Generator unabhängig von einer Leistungsanforderung an der Schwachstromsteckdose zu betreiben.
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Bei dieser Ausgestaltung wird eine Leistungsanforderung an der Schwachstromsteckdose gezielt nicht berücksichtigt. Das heißt, die Steuereinrichtung betreibt den Generator unabhängig davon, ob, wie lange und wie viel Leistung über die Schwachstromsteckdose angefordert wird. Diese Ausgestaltung ermöglicht einen besonders gleichmäßigen Betrieb des Motors bei einem guten Wirkungsgrad. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dafür ausgebildet, den Generator ausschließlich unabhängig von einer Leistungsanforderung an der Schwachstromsteckdose zu betreiben, sprich, in jedem Betriebszustand und zu jeder Zeit betreibt die Steuereinrichtung den Generator unabhängig von einer Leistungsanforderung an der Schwachstromsteckdose. Dies kann den elektrischen Aufbau des Stromerzeugers vereinfachen.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung ferner dafür ausgebildet, den Motor zu starten, wenn ein Ladezustand des Akkumulators einen vorgegebenen Mindestladungswert unterschreitet.
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Da die Leistungsanforderung an der Schwachstromsteckdose aus dem Akkumulator erfüllt wird, ist es vorteilhaft, den Ladezustand des Akkumulators zu überwachen und bei Bedarf den Akkumulator zu laden. Hierfür überprüft die Steuereinrichtung, ob der Ladezustand des Akkumulators einen vorgegebenen Mindestladungswert unterschreitet und, wenn dies der Fall ist, startet den Motor, damit der Generator elektrische Energie für den Akkumulator produzieren kann. Es wird als vorteilhaft angesehen, wenn der Mindestladungswert bezogen auf die maximale Kapazität des Akkumulators mindestens 30 %, bevorzugt mindestens 40 %, besonders bevorzugt mindestens 50 % und insbesondere mindestens 60 % beträgt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung ferner dafür ausgebildet, eine Leistungsabgabe des Generators im eingeschalteten Zustand des Motors in Abhängigkeit von der Leistungsanforderung an der Starkstromsteckdose und vom Ladezustand des Akkumulators zu steuern.
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Die Leistungsabgabe des Generators wird bei einigen bevorzugten Ausgestaltungen über die Drehzahl des Motors, aber insbesondere bevorzugt über die Kraftstoffzufuhr gesteuert. Dabei wird der Motor auf eine konstante Drehzahl geregelt. Wenn eine hohe Leistungsanforderung besteht, muss der Motor mit mehr Kraftstoff versorgt werden, um die konstante Drehzahl zu halten, als wenn nur eine niedrige Leistungsanforderung besteht. Während die Last des Motors üblicherweise von der gesamten Leistungsanforderung an allen Steckdosen des Stromerzeugers abhängig ist, findet die Steuerung hier entsprechend der Leistungsanforderung an der Starkstromsteckdose und dem Ladezustand des Akkumulators statt. Dies ermöglicht insbesondere eine Steuerung dahingehend, dass im eingeschalteten Zustand des Motors, wenn die Möglichkeit besteht, den Akkumulator zu laden, die Last des Motors durch Zuschalten des zu ladenden Akkumulators erhöht wird, sodass der Generator mehr Leistung abgibt, als an der Starkstromsteckdose abgerufen wird. Die zusätzliche Leistung wird dann zum Laden des Akkumulators verwendet. Die Last des Motors wird zur Erfüllung der erhöhten Leistungsabgabe in der Regel mindestens im Mittellastbereich liegen, eventuell sogar auch im Hochlastbereich oder Volllastbereich, sodass die Energie, mit der der Akkumulator geladen wird, mit guter oder hoher Effizienz erzeugt wird. Mit anderen Worten, wird hier die Leistungsabgabe des Generators über die Kraftstoffmenge (Einspritzmenge) gesteuert. Die Einspritzmenge ist abhängig vom spezifischen Kraftstoffverbrauch der wiederum abhängig vom Lastbereich ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung ferner dafür ausgebildet, einen Energiefluss vom Generator zum Akkumulator freizugeben, wenn ein Ladezustand des Akkumulators einen vorgegebenen ersten Mindestladungswert unterschreitet und/oder einen Energiefluss vom Generator zum Akkumulator zu blockieren, wenn ein Ladezustand des Akkumulators einen vorgegebenen Maximalladungswert überschreitet.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht eine Systematik zum Laden des Akkumulators, die einfach zu realisieren sein kann. Die Systematik wird hier bevorzugt in der Art einer Hysterese realisiert. Wenn der Ladezustand des Akkumulators den ersten Mindestladungswert unterschreitet, speichert die Steuereinrichtung, dass ein Laden des Akkumulators erfolgen soll. In diesem Zustand wird, sofern der Generator eingeschaltet ist und überschüssige Leistung zur Verfügung gestellt werden kann, der Akkumulator geladen. Erreicht der Ladezustand des Akkumulators schließlich den Maximalladungswert, so speichert die Steuereinrichtung, dass ein Laden nicht mehr erwünscht ist. Der Akkumulator wird dann, selbst wenn der Generator läuft und überschüssige Leistung zur Verfügung steht, nicht mehr geladen. Ein Laden des Akkumulators findet dann so lange nicht mehr statt, bis der erste Mindestladungswert wieder unterschritten wird oder ein anderes Kriterium anzeigt, dass der Akkumulator geladen werden kann oder geladen werden soll. Der Ladezustand kann beispielsweise anhand einer vom Akkumulator abgegebenen Spannung und/oder eines in den Akkumulator fließenden Stroms, insbesondere über die Zeit aufsummiert, ermittelt werden. Zudem kann man bei der Bestimmung auch die Temperatur einbeziehen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung ferner dafür ausgebildet, die vom Generator erzeugte Energie primär zur Erfüllung der Leistungsanforderung an der Starkstromsteckdose zur Starkstromsteckdose zu leiten und sekundär zum Laden des Akkumulators an den Akkumulator zu leiten.
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Diese Ausgestaltung stellt sicher, dass vorrangig die Leistungsanforderung an der Starkstromsteckdose erfüllt wird. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass ein Benutzer stets die volle angeforderte Leistung erhält, selbst wenn andere Kriterien anzeigen, dass die Möglichkeit besteht, den Akkumulator mit hoher Leistung zu laden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung ferner dafür ausgebildet, eine Leistungsabgabe des Generators so zu steuern, dass die Leistungsanforderung an der Starkstromsteckdose erfüllt wird und der Akkumulator mit möglichst viel Leistung gespeist wird.
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Die maximale Leistung, die dem Akkumulator zugeführt werden kann, hängt unter anderem von zwei Größen ab. Zum einen kann der Akkumulator bauartbedingt und abhängig von seinem Ladezustand nur eine begrenzte Leistung annehmen. Zum anderen kann maximal die „freie“ Leistung verwendet werden, also die Leistung, die nicht an der Starkstromsteckdose benötigt wird. Innerhalb dieser Rahmenbedingungen wird die Leistungsabgabe des Generators so gesteuert, dass der Akkumulator, bei gleichzeitiger Erfüllung der Leistungserfüllung an der Starkstromsteckdose, mit möglichst viel Leistung gespeist wird. Da die Leistungsabgabe des Generators in erster Linie von der Last des Motors abhängt, sprich, eine hohe Leistungsabgabe ist mit einer hohen Last des Motors verknüpft, wird der Motor so bei relativ hoher Last betrieben, sodass die Leistung mit guter oder hoher Effizienz bereitgestellt wird, weil die Leistungsabgabe in Abhängigkeit von der Einspritzmenge bei relativ hohen Lasten effizient ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung ferner dafür ausgebildet, eine zum Akkumulator geführte Leistung auf die Differenz von maximaler Leistungsabgabe des Generators und der Leistungsanforderung an der Starkstromsteckdose zu begrenzen.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders einfache Systematik in der Steuerung, bei der sichergestellt wird, dass die zum Akkumulator geführte Leistung nicht dazu führt, dass die Leistungsanforderung an der Starkstromsteckdose nicht vollständig erfüllt werden kann. Der Akkumulator wird also höchstens mit der Leistung gespeist, die sich als Differenz zwischen der maximalen Leistungsabgabe und der Leistungsanforderung an der Starkstromsteckdose ergibt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung ferner dafür ausgebildet, einen Zielwert für eine Leistungszufuhr an den Akkumulator zu ermitteln und eine Last des Motors so einzustellen, dass eine Leistungsabgabe des Generators zumindest ungefähr der Summe aus Leistungsanforderung an der Starkstromsteckdose und dem Zielwert für die Leistungszufuhr entspricht.
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Auch diese Ausgestaltung ermöglicht eine einfache Systematik bei der Steuerung des Generators. Hierbei wird zunächst ein Zielwert für eine Leistungszufuhr an den Akkumulator ermittelt. Bei der Ermittlung des Zielwerts kann insbesondere der Ladezustand des Akkumulators und die maximal mögliche Leistungszufuhr an den Akkumulator berücksichtigt werden. Vorteilhafterweise kann auch eine Temperatur des Akkumulators berücksichtigt werden. Die Last des Motors – oder auch die Leistung oder die Leistungsabgabe des Motors – dfd würde dann so eingestellt, dass möglichst die Summe aus Leistungsanforderung an der Starkstromsteckdose und der Zielwert für die Leistungszufuhr vom Generator abgegeben werden. Bevorzugt werden auch weitere Kriterien berücksichtigt, so z. B., dass die Summe aus Leistungsanforderung und Zielwert für die Leistungszufuhr nicht die maximale Leistungsabgabe des Stromerzeugers überschreitet. Wie bereits beschrieben, kann die Last des Motors bevorzugt über das Einregeln auf eine konstante Drehzahl, z.B. 1500 U/min, eingestellt werden, wobei der Motor eine höhere Last hat, wenn die konstante Drehzahl bei hoher Leistungsanforderung gehalten werden soll als bei niedriger Leistungsanforderung.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung ferner dafür ausgebildet, den Motor auszuschalten, wenn keine Leistungsanforderung an der Starkstromsteckdose vorliegt und ein Ladezustand des Akkumulators einen vorgegebenen zweiten Mindestladungswert überschreitet.
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Diese Ausgestaltung bezieht sich auf die Situation, dass eine Leistungsanforderung an der Starkstromsteckdose zunächst vorliegt und dann wegfällt. Wenn der Ladezustand des Akkumulators zu diesem Zeitpunkt einen vorgegebenen zweiten Mindestladungswert überschreitet, besteht bei dieser Ausgestaltung keine Notwendigkeit dafür, den Motor weiterlaufen zu lassen. Der Motor wird dann ausgeschaltet. Bei einigen vorteilhaften Ausgestaltungen wird der zweite Mindestladungswert zumindest in etwa gleich dem ersten Mindestladungswert gewählt. Bei anderen vorteilhaften Ausgestaltungen wird der zweite Mindestladungswert oberhalb des ersten Mindestladungswerts gewählt, insbesondere zumindest in etwa gleich dem Maximalladungswert.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinrichtung ferner dafür ausgebildet, bei Wegfall der Leistungsanforderung an der Starkstromsteckdose den Generator weiterlaufen zu lassen, um den Akkumulator mit elektrischer Energie zu versorgen, sofern ein Ladezustand des Akkumulators einen vorgegebenen zweiten Mindestladungswert unterschreitet.
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Diese Ausgestaltung berücksichtigt, dass es vorteilhaft sein kann, den Motor bzw. den Generator weiterlaufen zu lassen, selbst wenn die Leistungsanforderung an der Starkstromsteckdose wegfällt. Es wird nämlich als vorteilhaft angesehen, dass man den Motor weiterlaufen lässt, um den Akkumulator zu laden, selbst wenn der Ladezustand des Akkumulators noch nicht so niedrig ist, dass ein Laden des Akkumulators ohnehin erforderlich ist. Auf diese Weise können die Start- und Stopp-Vorgänge des Motors bzw. des Generators reduziert werden. Der zweite Mindestladungswert kann zumindest in etwa wie der erste Mindestladungswert gewählt werden. Es wird jedoch als besonders vorteilhaft angesehen, wenn der zweite Mindestladungswert oberhalb des ersten Mindestladungswerts gewählt wird, insbesondere zumindest in etwa gleich dem Maximalladungswert.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Steuereinrichtung ferner dafür ausgebildet, den Motor jedenfalls immer dann einzuschalten, wenn bei ausgeschaltetem Motor die Leistungsanforderung an der Starkstromsteckdose besteht.
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Diese Ausgestaltung stellt sicher, dass die Leistungsanforderung an der Starkstromsteckdose immer vollständig von dem Generator erfüllt werden kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist der Stromerzeuger dafür ausgebildet, die erste Leistungsanforderung zumindest zu 85 %, bevorzugt 90 %, besonders bevorzugt 95 % und insbesondere zu 100% durch den Generator zu erfüllen und/oder der Stromerzeuger dafür ausgebildet ist, die zweite Leistungsanforderung immer zumindest zu 85 %, bevorzugt 90 %, besonders bevorzugt 95 % und insbesondere zu 100 % durch den Akkumulator zu erfüllen.
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Diese Ausgestaltung unterstreicht, dass es als besonders vorteilhaft angesehen wird, wenn die erste Leistungsanforderung immer, das heißt, in jedem Betriebszustand und zu jeder Zeit oder jeder Zeitspanne, fast ausschließlich oder ausschließlich durch den Generator erfüllt wird und/oder die zweite Leistungsanforderung immer fast ausschließlich oder ausschließlich durch den Akkumulator erfüllt wird. Dabei wird es als besonders vorteilhaft angesehen, wenn die erste Leistungsanforderung immer und ausschließlich durch den Generator erfüllt wird und die zweite Leistungsanforderung immer und ausschließlich durch den Akkumulator erfüllt wird. Dies kann den elektrischen Aufbau des elektrischen Erzeugers vereinfachen und ein vorteilhaftes Betriebskonzept ermöglichen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Stromerzeugers mit einer Steuereinrichtung, das Verfahren mit den Schritten:
- – Betreiben eines elektrischen Generators,
- – Laden eines Akkumulators mit elektrischer Energie aus dem Generator,
- – Erfüllen der ersten Leistungsanforderung an einer Starkstromsteckdose mit elektrischer Energie aus dem Generator, und
- – Erfüllen einer zweiten Leistungsanforderung an einer Schwachstromsteckdose mit elektrischer Energie aus dem Akkumulator,
wobei das Betreiben des Generators mittels der Steuereinrichtung in Abhängigkeit von der ersten Leistungsanforderung an der Starkstromsteckdose und einem Ladezustand des Akkumulators erfolgt.
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Dabei wird es aus den oben erläuterten Gründen als vorteilhaft angesehen, wenn die erste Leistungsanforderung zumindest zu 85 %, bevorzugt 90 %, besonders bevorzugt 95 % und insbesondere zu 100 % durch den Generator erfüllt wird und/oder die zweite Leistungsanforderung immer zumindest zu 85 %, bevorzugt 90 %, besonders bevorzugt 95 % und insbesondere zu 100 % durch den Akkumulator erfüllt wird.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung näher dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Ausführungsform eines Stromerzeugers;
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2 einen ersten Teil eines Ablaufdiagramms einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben eines Stromerzeugers;
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3 einen zweiten Teil eines Ablaufdiagramms der Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben eines Stromerzeugers gemäß 2.
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1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform eines Stromerzeugers 10 mit einem elektrischen Generator 12, hier ein Synchrongenerator, und einem auf Verbrennungsbasis betriebenen Motor 14, der zum Antreiben des Generators 12 mit dem Generator 12 gekoppelt ist. Dem Motor 14 ist ein Kraftstofftank 16 zugeordnet, aus dem der Motor 14 den Kraftstoff für seinen Betrieb erhält.
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Der Stromerzeuger 10 weist ferner einen Akkumulator 18 zum Speichern von elektrischer Energie, mindestens eine Starkstromsteckdose 20, mindestens eine Schwachstromsteckdose 22 und eine Steuereinrichtung 24 auf. Der Akkumulator 18 ist mit dem Generator 12 elektrisch so gekoppelt, dass vom Generator 12 erzeugte elektrische Energie im Akkumulator 18 gespeichert werden kann. Die Starkstromsteckdose 20 ist mit dem Generator 12 elektrisch so gekoppelt, dass eine durch einen Starkstromverbraucher 26 an der Starkstromsteckdose 20 abgerufene elektrische Leistung vom Generator 24 bereitgestellt wird. Die Schwachstromsteckdose 22 ist mit dem Akkumulator 18 elektrisch so gekoppelt, dass eine durch einen Schwachstromverbraucher 28 abgerufene elektrische Leistung vom Akkumulator 18 bereitgestellt wird. Die Steuereinrichtung 24 ist dafür ausgebildet, den Generator 12 in Abhängigkeit von einer Leistungsanforderung an der Starkstromsteckdose 20 und von einem Ladezustand des Akkumulators 18 zu betreiben.
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Der Vollständigkeit halber sind ferner ein Gleichrichter 30 zwischen dem Generator 12 bzw. der Steuereinrichtung 24 und dem Akkumulator 18 eingezeichnet. Ferner ist zwischen dem Akkumulator 18 und den Schwachstromsteckdosen 22 ein Umrichter bzw. Wechselrichter 32 eingezeichnet. Ferner ist anhand von gestrichelten Linien dargestellt, dass die Steuereinrichtung 24, unter anderem, den Motor 14 steuern kann, Informationen über den Betriebszustand des Motors 14 erhalten kann und Informationen über den Ladezustand des Akkumulators 18 erhalten kann.
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Es ist zu erkennen, dass zwischen dem Generator 12 und den Schwachstromsteckdosen 22 keine elektrische Verbindung besteht, die am Akkumulator 18 vorbeiführt. Das heißt, eine Leistungsanforderung an den Schwachstromsteckdosen 22 wird ausschließlich vom Akkumulator 18 erfüllt, nicht aber unmittelbar vom Generator 12. Es fehlt hier also an einem Bypass, z. B. vom Gleichrichter 30 zum Wechselrichter 32 oder vom Generator 12 zu den Schwachstromsteckdosen 22, mit dem man z. B. einen geringen Teil der Leistungsanforderung an den Schwachstromsteckdosen, 15 % der Leistungsanforderung oder weniger, abdecken könnte.
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Eine solche vollständige Trennung bei der Erfüllung der ersten Leistungsanforderung an den Starkstromsteckdosen 20 und der Erfüllung der zweiten Leistungsanforderung an den Schwachstromsteckdosen 22 wird, wie bereits erläutert, unter anderem also vorteilhaft für den elektrischen Aufbau des Stromerzeugers 10 angesehen und ermöglicht auch eine vorteilhafte Betriebssystematik. Die Leistungsanforderung an den Starkstromsteckdosen 20 wird immer vom Generator 12 erfüllt.
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Der prinzipielle Betrieb des Stromerzeugers 10 findet wie folgt statt. Bei einer Leistungsanforderung an mindestens einer der Starkstromsteckdosen 20 wird der Motor 14 gestartet, damit der Generator 12 die erste Leistungsanforderung erfüllen kann. Bei einer zweiten Leistungsanforderung an mindestens einer der Starkstromsteckdosen 22 wird diese von dem Akkumulator 18 erfüllt. Während des Betriebs des Stromerzeugers 10 wird anhand von einem oder mehreren Kriterien der Akkumulator 18 geladen.
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Der Betrieb des Stromerzeugers 10 soll anhand der 2 und 3 nun im Detail erläutert werden. Dabei sind die Ablaufdiagramme der 2 und 3 so zu verstehen, dass der Betriebszustand des Stromerzeugers 10, einschließlich des Zustands des Motors 14, des Ladezustands des Akkumulators 18, etc., fortlaufend, ggf. in Intervallen, überprüft wird. Bei dieser Ausführungsform beginnen die Überprüfungen mit der Inbetriebnahme des Stromerzeugers 10 und enden mit der Außerbetriebnahme des Stromerzeugers 10.
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Im Schritt S10 wird überprüft, ob der Motor bereits läuft. Ist dies nicht der Fall, verzweigt das Verfahren zum Schritt S12, wo überprüft wird, ob der Ladezustand LZ des Akkumulators 18 größer ist als ein erster Mindestladungswert MIN1. Wenn dies der Fall ist, verzweigt das Verfahren über den Zweig J zum Schritt S14. Hier wird überprüft, ob eine Leistungsanforderung LA an den Starkstromsteckdosen 20 vorliegt. Ist dies nicht der Fall, verzweigt das Verfahren über den Zweig N zurück zum Schritt S10. Dies bedeutet, dass der Motor 14 ausgeschaltet bleibt.
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Wurde im Schritt S14 eine Leistungsanforderung LA an den Starkstromsteckdosen 20 festgestellt, verzweigt das Verfahren über den Zweig J zum Schritt S16, in dem der Motor eingeschaltet wird. Wurde im Schritt S12 festgestellt, dass der Ladezustand LZ des Akkumulators 18 den ersten Mindestladungswert MIN1 nicht überschreitet, verzweigt das Verfahren über den Zweig N zum Schritt S18. Hier wird festgehalten, dass ein Laden des Akkumulators 18 erfolgen soll. Das Verfahren wird dann mit dem Schritt S16, Einschalten des Motors 14, fortgesetzt, und kehrt dann zum Schritt S10 zurück.
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Wurde im Schritt S10 festgestellt, dass der Motor läuft, verzweigt das Verfahren über den Zweig J zum Schritt S20. Hier wird zunächst überprüft, ob die Leistungsanforderung LA an den Starkstromsteckdosen 20 nicht mehr vorhanden ist und ob der Ladezustand LZ des Akkumulators 18 einen Maximalladungswert MAX erreicht hat oder überschritten hat. Wenn dies der Fall ist, gibt es keine Notwendigkeit mehr dafür, dass der Generator 12 weiter Energie erzeugt. Das Verfahren verzweigt dann über den Zweig J zum Schritt S22, in dem der Motor 14 ausgeschaltet wird. Es folgt danach der Schritt S24, in dem festgehalten bzw. gespeichert wird, dass ein Laden des Akkumulators 18 nicht mehr erwünscht wird. In diesem Zustand kann die Steuereinrichtung 24 beispielsweise einen Energiefluss vom Generator 12 zum Akkumulator 18 blockieren. Das Verfahren wird dann mit dem Schritt S10 fortgesetzt.
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Wenn im Schritt S20 festgestellt wurde, dass zumindest eine der genannten Bedingungen nicht erfüllt ist, verzweigt das Verfahren über den Zweig N zum Schritt S26. Hier wird überprüft, ob der Ladezustand LZ des Akkumulators 18 zumindest den Maximalladungswert MAX erreicht hat und ob derzeit noch festgehalten ist, dass ein Laden gewünscht ist. Da bei einer Erfüllung beider Bedingungen ein weiteres Laden des Akkumulators 18 nicht mehr gewünscht ist, verzweigt das Verfahren über den Zweig J zum Schritt S24. Hier wird festgehalten, dass ein Laden nicht mehr gewünscht ist und das Verfahren wird mit dem Schritt S10 fortgesetzt.
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Wenn eine der Bedingungen im Schritt S26 nicht erfüllt ist, verzweigt das Verfahren über den Zweig N zum Schritt S28. Hier wird überprüft, ob die Leistungsanforderung LA gerade weggefallen ist. Ein solcher Wegfall kann insbesondere dadurch festgestellt werden, dass aktuell keine Leistungsanforderung LA an den Starkstromsteckdosen 20 vorliegt, wohingegen eine Leistungsanforderung LA bei der letzten Überprüfung, z. B. beim letzten Durchlauf des Verfahrens, noch gegeben war.
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Hat es einen solchen Wechsel gegeben, verzweigt das Verfahren über den Zweig J zum Schritt S30. Hier wird überprüft, ob der Ladezustand LZ des Akkumulators 18 einen zweiten Mindestladungswert MIN2 überschreitet. Ist dies der Fall, besteht keine Notwendigkeit dahingehend, den bereits laufenden Motor 14 auszunutzen und zum Laden des Akkumulators 18 weiterlaufen zu lassen. Das Verfahren verzweigt dann über den Zweig J zu den Schritten S22 und dann S24 und S10, wodurch der Motor 14 ausgeschaltet wird und festgehalten wird, dass ein Laden derzeit nicht erforderlich bzw. gewünscht ist.
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Wird entweder die Bedingung im Schritt S28 oder die Bedingung im Schritt S30 verneint, wird das Verfahren über den jeweiligen Zweig N mit dem Schritt S40 fortgesetzt. Hier wird überprüft, ob die Leistungsanforderung LA der maximalen Leistung ML des Generators 12 entspricht. Wenn dies der Fall ist, bedeutet dies, dass vom Generator 12 keine Leistung für ein Laden des Akkumulators 18 abgezweigt werden soll. Das Verfahren verzweigt dann über den Zweig J zum Schritt S42, wo festgehalten wird, dass ein Laden nicht erfolgen soll, und das Verfahren wird mit dem Schritt S10 fortgesetzt.
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Wenn die Leistungsanforderung LA kleiner ist als die maximale Leistung ML, verzweigt das Verfahren über den Zweig N zum Schritt S44. Hier wird festgehalten, dass ein Laden des Akkumulators 18 erfolgen soll. In einem Schritt S46 wird dann ein Zielwert ZW für eine Leistungszufuhr an den Akkumulator 18 ermittelt. Danach wird im Schritt S48 überprüft, ob die Summe von Leistungsanforderung LA und dem ermittelten Zielwert ZW die maximale Leistung ML des Stromerzeugers 10 übersteigt. Falls dies der Fall ist, verzweigt das Verfahren über den Zweig J zum Schritt S50, wo die Ladeleistung LL für den Akkumulator 18 auf ML minus LA festgesetzt wird, also gegenüber dem Zielwert ZW reduziert wird. Das Verfahren wird dann mit dem Schritt S10 fortgesetzt. Wenn im Schritt S46 festgestellt wird, dass die Leistungsanforderung LA und der Zielwert ZW der Leistungszufuhr an den Akkumulator 18 vom Generator 12 erfüllt werden kann, verzweigt das Verfahren über den Zweig N zum Schritt S52. Hier wird die Ladeleistung LL des Akkumulators 18 auf den Zielwert ZW festgesetzt. Das Verfahren wird dann mit dem Schritt S10 fortgesetzt.
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Insgesamt wurden ein Stromerzeuger und ein Verfahren zum Betreiben eines Stromerzeugers aufgezeigt, die unter anderem längere Ruhezeiten des Stromerzeugers ermöglichen. Dies nämlich dann, wenn eine Leistungsanforderung nur an der Schwachstromsteckdose besteht und es nicht notwendig ist, den Akkumulator zu laden. Außerdem wird der Verbrennungsmotor effizienter genutzt, da er im Betrieb mit höherer Effizienz betrieben werden kann.
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Dies liegt unter anderem darin, dass der Verbrennungsmotor bei einer Erfüllung der Leistungsanforderung an der Starkstromsteckdose oder bei einer kombinierten Leistungsabgabe an die Starkstromsteckdose und an den Akkumulator oder, bei entsprechender Auslegung des Akkumulators, bei einem Laden des Akkumulators mit hoher Leistung, der Motor nicht im Leerlauf betrieben wird, meistens auch nicht im Niederlastbereich, sondern zumindest im Mittellastbereich und bevorzugt im Hochlastbereich oder Volllastbereich, wo jedes Kilogramm Brennstoff in verhältnismäßig viel elektrische Energie umgesetzt werden kann.
