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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Übertragen von elektrischer Energie von einer Ladestation zu einem elektrischen Verbraucher. Die Ladestation stellt somit eine Energiequelle und der Verbraucher eine Energiesenke dar. Der elektrische Verbraucher kann beispielsweise mobil ausgestaltet sein, beispielsweise als Flurförderzeug oder Elektrofahrzeug. Zu der Erfindung gehört auch eine Vorrichtung, die in der Ladestation oder in dem elektrischen Verbraucher angeordnet sein kann, um die erfindungsgemäße Energieübertragung durchzuführen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Ladesystem, das die stationäre Ladestation und einen mobil ausgestalteten elektrischen Verbraucher aufweist.
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Das Aufladen eines elektrischen Verbrauchers mit elektrischer Energie aus einer Ladestation sollte in möglichst kurzer Zeit erfolgen, um Standzeiten oder Wartezeiten des elektrischen Verbrauchers zu minimieren, in welchen er nicht genutzt werden kann. Ein begrenzender Faktor beim schnellen Übertragen von elektrischer Energie kann die Batterie des elektrischen Verbrauchers sein, in welcher er seine elektrische Energie speichert. Der Ladestrom einer Batterie muss begrenzt sein, um die Batterie nicht zu beschädigen. Dies führt zu einer verhältnismäßig langen Aufladezeit.
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Aus der
US 5 960 898 A ist eine Energiespeichereinheit bekannt, die Doppelschichtkondensatoren als Energiespeicher aufweist. Die Energiespeichereinheit ist in einem Elektrofahrzeug bereitgestellt. Die Kondensatoren sind mit einem Wechselrichter des Elektrofahrzeugs gekoppelt, welcher den Antriebsmotor des Elektrofahrzeugs mit elektrischer Energie aus den Kondensatoren versorgt. In Abhängigkeit von einer Lastanforderung für den Betrieb des Elektromotors werden die Kondensatoren als Serienschaltung oder Parallelschaltung mit dem Wechselrichter verschaltet. Hierzu sind entsprechende Schalter an den Kondensatoren angeordnet.
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Aus der
US 2010/0244459 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Starters einer Verbrennungsmaschine eines Kraftfahrzeugs bekannt. Der Starter kann mit zwei elektrischen Energiequellen betrieben werden, nämlich einer Batterie und einem Kondensator. Zum Aufladen des Kondensators wird dieser parallel zur Batterie geschaltet. Zum Betreiben des Starters werden der Kondensator und die Batterie in Serie geschaltet, sodass am Starter die doppelte Batteriespannung bereitsteht.
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Aus der
DE 10 2005 000 979 A1 ist eine Schaltungsanordnung zum geschützten Betrieb von Doppelschichtkondensatoren bekannt. Den Doppelschichtkondensatoren kann eine Schaltereinheit zum Überbrücken eines jeweiligen Doppelschichtkondensators parallelgeschaltet sein. Ein Betriebszustand der Doppelschichtkondensatoren wird überwacht und bei Detektieren eines Defekts einer der Doppelschichtkondensatoren wird dieser überbrückt, sodass er nicht mehr mit einem Betriebsstrom beaufschlagt wird. Zum Aufladen der Kondensatoren können diese als Parallelschaltung mit einer Ladeeinrichtung gekoppelt werden. Für den Betrieb des Verbrauchers können dann die Kondensatoren in Serie geschaltet sein, um eine für den Betrieb des Verbrauchers nötige Spannung zu erzeugen, die in einem Bereich bis 10 Volt liegen kann.
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Durch das Aufladen der Kondensatoren in einer Parallelschaltung ergibt sich ein Ladestrom, dessen Stromstärke begrenzt werden muss, um die Ladestation zu schützen oder nicht zu überlasten. Dies bedeutet wiederum eine Verlängerung des Aufladevorgangs.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Verbraucher mit elektrischer Energie aus einer Ladestation zu versorgen oder aufzuladen.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche gegeben.
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Durch die Erfindung ist ein Verfahren zum Übertragen von elektrischer Energie von einer Ladestation hin zu einem elektrischen Verbraucher bereitgestellt. Die Ladestation empfängt eine Versorgungsspannung, beispielsweise aus einem öffentlichen Energieversorgungsnetz. Mittels der Versorgungsspannung lädt die Ladestation mehrere stationsseitige Speicherzellen unabhängig voneinander auf. Danach schaltet die Ladestation die geladenen stationsseitigen Speicherzellen mittels einer stationsseitigen Schalteranordnung in Serie. Mit anderen Worten wird aus den Speicherzellen eine Serienschaltung gebildet. Insbesondere werden mehr als fünf, insbesondere mehr als zehn, Speicherzellen in Serie geschaltet. Die stationsseitige Schalteranordnung weist hierzu mehrere Schalter auf. Indem die Speicherzellen in Serie geschaltet werden, erzeugen sie eine Hochspannung. Die Hochspannung ist größer als ein Effektivwert der Versorgungsspannung. Bevorzugt ist die Hochspannung größer als das Fünffache, insbesondere größer als das Zehnfache, des Effektivwerts der Versorgungsspannung. Insbesondere ist die Hochspannung größer als ein Kilovolt. Die Hochspannung wird durch eine Übertragungseinrichtung der Ladestation als ein Ladepuls an die Verbraucher übertragen. Die Übertragungseinrichtung kann hierzu beispielsweise Hochvoltkontakte aufweisen, die der Verbraucher berührt, um die Hochspannung abzugreifen oder zu empfangen. Der Ladepuls kann hierbei eine Dauer aufweisen, die in einem Bereich von 1 Sekunde bis 15 Minuten liegt. Während der Übertragung des Ladepulses fließt ein Ladestrom zwischen Ladestation und Verbraucher. Danach ist die elektrische Energie übertragen und der Verbraucher kann beispielsweise von den Hochvoltkontakten gelöst oder entfernt werden.
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Der Verbraucher lädt während der Dauer des Ladepulses mittels der empfangenen Hochspannung mehrere eigene, das heißt verbraucherseitige Speicherzellen auf. Hierbei sind die Speicherzellen in Serie geschaltet. Mit anderen Worten fällt die Hochspannung über der Serienschaltung aus Speicherzellen ab. Mit anderen Worten wird die Hochspannung auf die Speicherzellen aufgeteilt. Anschließend verschaltet eine verbraucherseitige Schalteranordnung die aufgeladenen verbraucherseitigen Speicherzellen zu einer Betriebsschaltung. Mit anderen Worten wird die Serienschaltung beendet oder aufgelöst und eine andere Verschaltung der verbraucherseitigen Speicherzellen, hier Betriebsschaltung genannt, eingestellt. Die Betriebsschaltung erzeugt eine Betriebsspannung, die kleiner als die Hochspannung ist. Beispielsweise können einige oder alle der verbraucherseitigen Speicherzellen hierzu parallelgeschaltet sein. Es können auch Speicherzellen in Serie geschaltet werden, wobei die Serienschaltung kleiner als die zum Aufladen genutzte Serienschaltung ist, also weniger Speicherzellen in Serie aufweist. In dem Verbraucher wird dann mittels der Betriebsspannung zumindest eine Komponente des Verbrauchers betrieben.
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Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die elektrische Energie mit einer Hochspannung übertragen wird, die größer ist als die Versorgungsspannung und die größer ist als die Betriebsspannung. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, die elektrische Energie mit einem geringeren oder zeitlich kürzeren Strompuls zu übertragen, als es möglich wäre, wenn die elektrische Energie mit der Versorgungsspannung oder der Betriebsspannung übertragen werden sollte. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die stationsseitige Schalteranordnung und die verbraucherseitige Schalteranordnung jeweils nur Schalter aufweisen muss, die eine Durchbruchspannung aufweisen, die kleiner als die Hochvoltspannung ist. Als Schalter kann jeweils beispielsweise ein Transistor oder ein Relais oder eine Kombination aus einem Transistor und einem Relais bereitgestellt sein. Um den Ladepuls zu steuern, kann ein Hochvoltschalter zum Steuern des Ladepulses vorgesehen sein, wobei der Hochvoltschalter eine Durchbruchspannung größer als die Hochvoltspannung aufweist. Hierbei ist aber prinzipiell nur ein einziger Hochvoltschalter in der Übertragungseinrichtung nötig. Die Schalter der stationsseitigen und der verbraucherseitigen Schalteranordnung können jeweils in der beschriebenen Weise eine Durchbruchspannung kleiner als die Hochvoltspannung aufweisen. Dies macht die Übertragung besonders kostengünstig.
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Zum Speichern von elektrischer Energie kann eine stationsseitige und eine verbraucherseitige Speicherzelle jeweils beispielsweise einen Kondensator, insbesondere einen Doppelschichtkondensator, aufweisen. Es kann auch vorgesehen sein, zum Speichern von elektrischer Energie eine Schaltung aus mehreren Kondensatoren, insbesondere mehreren Doppelschichtkondensatoren, in einer oder einigen oder allen Speicherzellen bereitzustellen. Die Speicherzellen können auch unterschiedliche Energiespeicher aufweisen, beispielsweise unterschiedliche Kondensatortypen und/oder jeweils zumindest einen Kondensator einerseits und zumindest eine elektrochemische oder galvanische Zelle andererseits. Sie Speicherzellen können gleichartig oder unterschiedlich aufgebaut sein.
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Die Erfindung weist optionale Weiterbildungen auf, durch deren Merkmale sich zusätzliche Vorteile ergeben.
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Gemäß einer Weiterbildung wird der Ladepuls galvanisch über Berührkontakte übertragen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass keine Streuverluste entstehen, wie dies bei einer kapazitiven oder induktiven Übertragung der Fall sein kann. Beispielsweise kann die Übertragungseinrichtung hierzu die beschriebenen Hochvoltkontakte aufweisen, an welchen der Verbraucher durch Berührung die Hochspannung abgreifen und der Ladestrom aus den in Serie geschalteten stationsseitigen Speicherzellen in den Verbraucher übertragen werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung wird in dem Verbraucher als die zumindest eine Komponente ein elektrochemischer Akkumulator aufgeladen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die in den verbraucherseitigen Speicherzellen gespeicherte empfangene elektrische Energie zwischengespeichert werden kann, während die verbraucherseitigen Speicherzellen einen nächsten Ladepuls empfangen. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass in dem Verbraucher als Komponente ein Antriebsmotor des Verbrauchers betrieben wird. Dann wird also der Antriebsmotor direkt mit elektrischer Energie aus den Speicherzellen der Betriebsschaltung gespeist oder betrieben. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass der Antriebsmotor in Abhängigkeit von einer Verschaltung der Speicherzellen innerhalb der Betriebsschaltung mit unterschiedlichen oder verschiedenen oder mehreren unterschiedlichen elektrischen Spannungen betrieben werden kann. Hierzu kann beispielsweise eine Anzahl an in der Betriebsschaltung in Serie geschalteten Speicherzellen eingestellt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung wird in der Ladestation als Versorgungsspannung eine Wechselspannung empfangen, die zwischen einer P-Leitung und einer N-Leitung anliegt. Die P-Leitung und die N-Leitung sind jeweils Bezeichnungen für eine elektrische Leitung oder elektrische Leiteinrichtung, die beispielsweise als Kabel oder Stromschiene ausgestaltet sein kann und beispielsweise Kupfer und/oder Aluminium aufweisen kann. Die stationsseitige Schalteranordnung wird nun nicht nur dazu genutzt, die Speicherzellen unabhängig voneinander mit der P-Leitung und der N-Leitung zu verschalten, sondern zusätzlich auch mit jeder Halbwelle der Wechselspannung der Versorgungsspannung die stationsseitigen Speicherzellen bezüglich der P-Leitung und der N-Leitung mittels ihrer Schalter individuell umzupolen, um die Wechselspannung aktiv gleichzurichten. Mit anderen Worten ist kein gesonderter Gleichrichter nötig, sondern die Schalter, mittels welchen die Speicherzellen mit der P-Leitung und der N-Leitung individuell verschaltet werden, werden auch zum aktiven Gleichrichten verwendet. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass kein zusätzlicher Gleichrichter nötig ist und dennoch als Versorgungsspannung eine Wechselspannung genutzt oder empfangen oder verarbeitet werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung werden mehrere Ladepulse übertragen. Mit anderen Worten wird der Verbraucher schubweise oder stoßweise oder impulsweise mit einem jeweiligen Hochvoltimpuls mit elektrischer Energie versorgt oder aufgeladen. Hierbei ist gemäß einer Weiterbildung vorgesehen, dass in der Ladestation abwechselnd einige der stationsseitigen Speicherzellen aufgeladen und gleichzeitig andere der stationsseitigen Speicherzellen einen der Ladepulse abgeben. Dies kann durch entsprechendes Steuern oder Schalten der Schalter der stationsseitigen Schalteranordnung bewirkt werden. Durch diese Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass eine Zyklusdauer der Ladepulse verkleinert wird im Vergleich zu einer Ausführungsform, bei der nur ein einziger Satz von Speicherzellen nacheinander aufgeladen und durch den Ladepuls entladen wird.
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Eine andere Weiterbildung betrifft ebenfalls die Ausführungsform, bei welcher mehrere Ladepulse übertragen werden. Zumindest zwischen aufeinanderfolgenden Ladepulsen werden hierbei im Verbraucher die verbraucherseitigen Speicherzellen anderweitig genutzt. Die verbraucherseitige Schalteranordnung verbindet einige oder alle der verbraucherseitigen Speicherzellen mit einem Zwischenkreis eines elektrischen Umrichters des Verbrauchers elektrisch. Hierdurch wirken die Speicherzellen als Zwischenkreiskapazität des Zwischenkreises. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Speicherzellen zwei Funktionen aufweisen oder doppelt genutzt werden. Falls nur einige der Speicherzellen als Zwischenkreiskapazität genutzt werden, kann auch während des Empfangens eines Ladepulses die Zwischenkreiskapazität mittels dieser Speicherzellen bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung ist im Verbraucher die Betriebsspannung, zu welcher die verbraucherseitigen Speicherzellen verschaltet werden, über einen DC-DC-Wandler mit der zumindest einen Komponente gekoppelt. Die verbraucherseitigen Speicherzellen der Betriebsschaltung werden mittels des DC-DC-Wandlers so weit entladen, dass die Betriebsspannung kleiner als eine von dem DC-DC-Wandler an die zumindest eine Komponente ausgegebene Spannung ist. Mit anderen Worten kann die Betriebsschaltung über einen Spannungsausgleich hinaus weiter mittels des DC-DC-Wandlers entladen werden, sodass die Speicherkapazität der Speicherzellen der Betriebsschaltung vollständig genutzt werden kann.
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Um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen, ist stationsseitig und verbraucherseitig jeweils eine Vorrichtung nötig, mittels welcher mehrere elektrische Speicherzellen einerseits in der Ladestation unabhängig voneinander mittels einer Versorgungsspannung aufgeladen werden können bzw. im Verbraucher zu einer Betriebsschaltung verschaltet werden können und andererseits zum Erzeugen bzw. Empfangen der Hochspannung einige oder alle der Speicherzellen in Serie geschaltet werden können.
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Hierzu ist erfindungsgemäß eine Vorrichtung zum Bereitstellen einer Ladestation oder eines elektrischen Verbrauchers bereitgestellt. Die Vorrichtung weist mehrere elektrische Speicherzellen sowie eine Schalteranordnung und eine zum Steuern von Schaltern der Schalteranordnung ausgelegte Steuereinrichtung auf. Die Schalteranordnung ist derart ausgestaltet, dass die Schalteranordnung jede der Speicherzellen in Abhängigkeit von einem jeweiligen ersten Schaltsignal der Steuereinrichtung mittels der Schalter unabhängig von den übrigen Speicherzellen mit einer P-Leitung und einer N-Leitung der Vorrichtung elektrisch verbindet und in Abhängigkeit von einem zweiten Schaltsignal der Steuereinrichtung zumindest einige der Speicherzellen oder alle der Speicherzellen zu einer Serienschaltung zwischen zwei Hochvoltkontakten verschaltet. Die Steuereinrichtung ist derart ausgelegt oder ausgestaltet, dass sie aus einem Speicher der Vorrichtung jeweilige Kenndaten jeder der Speicherzellen empfängt und die Schaltsignale, also das jeweilige erste Schaltsignal für jede Speicherzelle und das zweite Schaltsignal zum Einstellen der Serienschaltung, in Abhängigkeit von den Kenndaten der Speicherzellen erzeugt.
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Somit wird der Betrieb jeder Speicherzelle in Abhängigkeit von ihren jeweiligen Kenndaten eingestellt. Hierdurch kann beispielsweise in Abhängigkeit von den Kenndaten eine Aufladezeitdauer und/oder eine Entladezeitdauer eingestellt werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann beispielsweise ein Innenwiderstand der jeweiligen Speicherzelle berücksichtigt werden. Beispielsweise kann in Abhängigkeit von den Kenndaten eine Kombination mit anderen Speicherzellen beim Erzeugen der Serienschaltung festgelegt werden. Durch Berücksichtigen des Innenwiderstands und/oder einer Speicherkapazität der jeweiligen Speicherzelle kann eine Überlastung einzelner der Speicherzellen vermieden werden. Indem die Steuereinrichtung Kenndaten der Speicherzellen individuell berücksichtigt, lässt sich die Vorrichtung mit Speicherzellen unterschiedlicher Technologien und/oder Verschleißzuständen und/oder unterschiedlichen Alters betreiben.
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Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung weist jede Speicherzelle eine Energiespeichereinheit, beispielsweise einen Kondensator, insbesondere einen Doppelschichtkondensator, oder eine elektrochemische oder galvanische Zelle auf. Jede Speicherzelle kann in ihrer Energiespeichereinheit auch eine Schaltung mit mehreren Kondensatoren, insbesondere mehreren Doppelschichtkondensatoren, und/oder einer oder mehreren galvanischen Zellen aufweisen. Bei der Weiterbildung ist bei jeder Speicherzelle zusätzlich ein Ohmscher Widerstand parallel zur Energiespeichereinheit verschaltet. Mit anderen Worten weist jede Speicherzelle einen ersten und einen zweiten Anschlusskontakt auf, wobei der erste und der zweite Anschlusskontakt zum einen über die Energiespeichereinheit und zum anderen über den Ohmschen Widerstand elektrisch verbunden sind. Mit Ohmscher Widerstand ist hier ein Widerstandsbauelement gemeint. Durch diese Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass in einer Serienschaltung aus mehreren der Speicherzellen die Widerstände einen Spannungsteiler ergeben, über welchen eine über der Serienschaltung abfallende Hochspannung gemäß den Widerstandswerten der Widerstände auf die Energiespeichereinheiten, das heißt auf die Speicherzellen, aufgeteilt wird. Insbesondere weisen die Speicherzellen Widerstände mit dem gleichen Widerstandswert auf. Ein weiterer Vorteil des Widerstands ist, dass jede Speicherzelle über den Widerstand entladen werden kann, sodass eine Montage der Speicherzelle ungefährlich ist.
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Schließlich gehört zu der Erfindung noch eine Kombination aus zweien der erfindungsgemäßen Vorrichtungen. Hierdurch ergibt sich ein erfindungsgemäßes Ladesystem mit einer als stationäre Ladestation ausgestalteten ersten Vorrichtung, die eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, und mit einer als mobiler elektrischer Verbraucher ausgestalteten zweiten Vorrichtung, die eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung darstellt. Das Ladesystem ist dabei dazu ausgelegt, eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Stationsseitig wird also über die P-Leitung und die N-Leitung der Vorrichtung die Versorgungsspannung empfangen. An den Hochvoltkontakten wird dann die Hochspannung ausgegeben. Verbraucherseitig wird über die Hochvoltkontakte die Hochvoltspannung empfangen und über die P-Leitung und die N-Leitung die Betriebsspannung oder die mittels eines DC-DC-Wandlers gewandelte Betriebsspannung ausgegeben.
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Verbraucherseitig ist die Vorrichtung insbesondere als Flurförderzeug oder Elektrofahrzeug ausgestaltet.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladesystems mit einer Ladestation und einem elektrischen Verbraucher, und
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2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wie sie in der Ladestation oder dem elektrischen Verbraucher bereitgestellt sein kann.
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Bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Bei dem Ausführungsbeispiel stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsform jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren ist die beschriebene Ausführungsform auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein Ladesystem 1 mit einer Ladestation 2 und einem elektrischen Verbraucher 3. Die Ladestation 2 weist Anschlusskontakte 4, 5 auf, über welche sie mit einer elektrischen Versorgungseinrichtung 6, beispielsweise einem öffentlichen Energieversorgungsnetz, elektrisch verbunden sein kann. Die Ladestation 2 lädt den elektrischen Verbraucher 3 mit elektrischer Energie auf. Hierzu kann die Ladestation 2 eine Übertragungseinrichtung 7 aufweisen, die beispielsweise Hochvoltkontakte 8, 9 umfassen kann. Die Hochvoltkontakte 8, 9 können beispielsweise jeweils als Stecker oder Berührkontakt ausgestaltet sein. Über die Hochvoltkontakte 8, 9 kann der Verbraucher 3 galvanisch mit der Ladestation 2 für den Ladevorgang verbunden sein. Der Verbraucher 3 kann hierbei mobil ausgestaltet sein, das heißt von den elektrischen Hochvoltkontakten 8, 9 getrennt werden. Für die elektrische Verbindung kann der Verbraucher 3 Hochvoltkontakte 8', 9' aufweisen, die jeweils einen der Hochvoltkontakte 8, 9 berühren.
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Die Ladestation 2 und der Verbraucher 3 können den gleichen prinzipiellen Grundaufbau aufweisen, was in 1 dadurch ausgedrückt ist, dass korrespondierende Komponenten der Ladestation 2 einerseits und des Verbrauchers 3 andererseits jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen sind, wobei der Verbraucher 3 jeweils das Bezugszeichen mit Hochkomma oder gestrichen aufweist. Die folgenden Erläuterungen betreffend die Ladestation 2 gelten entsprechend auch für die korrespondierenden Komponenten des Verbrauchers 3, wobei die Energieflussrichtung umgekehrt ausgerichtet ist.
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Die Ladestation 2 empfängt von der Versorgungseinheit 6 an den Anschlusskontakten 4, 5 eine Versorgungsspannung 10 und erzeugt mittels einer Transferschaltung 11 eine Hochspannung 12, die größer als ein Effektivwert der Versorgungsspannung 10 ist. Die Hochspannung 12 wird über die Übertragungseinrichtung 7, das heißt die Hochvoltkontakte 8 und 9 an den Verbraucher 3 übertragen. Der Verbraucher 3 erzeugt mittels seiner Transferschaltung 11' aus der Hochvoltspannung 12 eine Betriebsspannung 13 zwischen einer P'-Leitung und einer N'-Leitung. Die Betriebsspannung 13 kann mittels eines DC-DC-Wandlers 14 in eine gewandelte Betriebsspannung 15 gewandelt werden, die an Anschlusskontakten 4', 5' ausgegeben werden kann. An die Anschlusskontakte 4', 5' kann eine Komponente 16 des Verbrauchers 3 angeschlossen sein, die in dem Beispiel eine Batterie 16 sei. Die Betriebsspannung 13 weist einen kleineren Spannungswert auf als die Hochspannung 12.
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Der Anschlusskontakt 4 kann über eine P-Leitung mit der Transferschaltung 11 verbunden sein. Der Anschlusskontakt 5 kann über eine N-Leitung mit der Transferschaltung 11 und/oder dem Hochvoltkontakt 9 verschaltet sein. Es können Schalter S1, S2, S3, Sa, Sb bereitgestellt sein, um wahlweise die Anschlusskontakte 4, 5 und/oder die Hochvoltkontakte 8, 9 mit der Transferschaltung 11 zu koppeln. Hierbei müssen lediglich die Schalter Sb und S4 eine Durchschlagsfestigkeit oder Sperrspannung aufweisen, die größer als die Hochspannung 12 ist.
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Zum Erzeugen beziehungsweise Verarbeiten der Hochspannung 12 weisen die Transferschaltungen 12, 12' jeweils eine Schalteranordnung 17 mit Schaltern 18 und eine Speicherbank 19 mit Speicherzellen 20 auf. Jeder Schalter 18 kann beispielsweise auf der Grundlage eines Transistors und/oder eine Relais gebildet sein. Jede Speicherzelle 20 kann beispielsweise auf der Grundlage eines einzelnen Kondensators oder einer Schaltung aus mehreren Kondensatoren gebildet sein. Jede Speicherzelle 20 kann zusätzlich oder alternativ dazu auch eine oder mehrere galvanische Zellen aufweisen.
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Die Schalter 18 der Schalteranordnung 17 können durch eine Steuereinrichtung 21 gesteuert werden. Die Steuereinrichtung 21 kann beispielsweise auf der Grundlage eines Mikrocontrollers oder eines Mikroprozessors ausgestaltet sein. Durch Erzeugen eines jeweiligen ersten Schaltsignals 22 kann die Steuereinrichtung 21 mittels der Schalter 18 die einzelnen Speicherzellen 20 mit der P-Leitung und der N-Leitung elektrisch verschalten. Mittels eines zweiten Schaltsignals 23 kann die Steuereinrichtung 21 die Speicherzellen 20 zu einer Serienschaltung zwischen die Hochvoltkontakte 8, 9 verschalten.
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Die Ladestation 2 kann beispielsweise in einer Lagerhalle bereitgestellt sein. Der Verbraucher 3 kann beispielsweise ein Flurförderzeug sein. Das Flurförderzeug kann in der Halle fahren und beispielsweise Waren transportieren. Falls die Batterie 16 einen Ladezustand kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert aufweist, kann der Verbraucher 3 zur Ladestation 2 fahren oder gefahren werden und hier die Übertragungseinrichtung 7 mittels der Hochvoltkontakte 8', 9' berühren. Dann kann ein Ladepuls aus elektrischer Energie von der Ladestation 2 zum Verbraucher 3 übertragen werden. Es können auch mehrere Ladepulse nacheinander übertragen werden. Auf Grundlage oder mittels der elektrischen Energie, die durch den Ladepuls oder die Ladepulse übertragen wird, kann die Batterie 16 aufgeladen werden. Hierbei kann sich der Verbraucher 3 bereits wieder von der Übertragungseinrichtung 7 entfernen, da die elektrische Energie in den Speicherzellen 20 zwischengespeichert wird und mittels des DC-DC-Wandlers 14 in die Batterie 16 übertragen wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass die in den Speicherzellen der Speicherbank 19' gespeicherte elektrische Energie auch direkt an einen (nicht dargestellten) Antriebsmotor des Verbrauchers 3 übertragen wird. Hierbei kann ebenfalls der DC-DC-Wandler 14 zwischengeschaltet sein.
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Mittel des Ladesystems 1 wird eine schnelle Übertragung einer elektrischen Leistung aus der Ladestation 2 zu dem Verbraucher 3 erreicht. Insbesondere ist eine Dauer jedes Ladepulses kürzer als 15 Minuten.
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In 2 sind noch einmal sowohl für die Ladestation 2 als auch den Verbraucher 3 jeweils deren Transferschaltungen 11, 11' genauer dargestellt. Gezeigt ist, dass die Schalteranordnung 17 verteilt zwischen den Speicherzellen 20, 20' angeordnet sein kann. Von den Schaltern 18, 18' sind der Übersichtlichkeit halber nur einige mit einem Bezugszeichen versehen. Des Weiteren sind die Schalter jeweils noch mit einer individuellen Bezeichnung für die folgenden Erläuterungen versehen. Des Weiteren ist dargestellt, dass jede Speicherzelle 20, 20' zusätzlich zu einer Energiespeichereinheit oder kurz einem Energiespeicher 24 einen Ohmschen Widerstand Rse aufweisen kann, der dem Energiespeicher 24 parallelgeschaltet ist. Zu dem Ohmschen Widerstand Rse kann jeweils noch ein Trennschalter 25 zum Schalten eines Stromes durch den Widerstand Rse bereitgestellt sein, um einen Entladestrom des Energiespeichers 24 zu schalten. Auch bei dem Trennschalter 25 sind in 2 individuelle Schalterbezeichnungen zusätzlich vorgesehen.
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Durch Auslassungspunkte 26 ist jeweils veranschaulicht, dass die dargestellte Anzahl an Speicherzellen 20, 20' und Schaltern 18, 18' nur beispielhaft ist. Es können beispielsweise mehr als zehn Speicherzellen 20, 20', insbesondere mehr als zwanzig Speicherzellen 20, 20' bereitgestellt sein. Die Anzahl an entsprechenden Schaltern 18, 18' ergibt sich aus der in 2 veranschaulichten Verschaltung
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Die Speicherzellen 20, 20' können des Weiteren eine Strombegrenzung zum Eigenschutz aufweisen, was in 2 nicht dargestellt ist. Die Strombegrenzung kann in an sich bekannter Weise ausgestaltet sein. Die Speicherkapazität der Speicherzellen 20 der Ladestation 2 können zum Laden und zur Energieübergabe an den Verbraucher 3 mittels der Schalter 18 jeweils elektrisch individuell verschaltet werden. Die Schalter können in der gezeigten Weise verteilt oder in einer Schaltermatrix konzentriert oder nebeneinander oder einander angrenzend angeordnet sein. Durch die Verschaltung ist jede Speicherzelle 20 mittels der Schalter 18 galvanisch trennbar. Weiter wird durch zuschaltbare Widerstände Rse eine gleiche Spannungsaufteilung zwischen allen Speicherzellen 20 in einer Serienschaltung der Speicherzellen 20 gewährleistet. Das Laden aus einem Energienetz (zum Beispiel einphasig 230 Volt/50 Hertz, 110 Volt/60 Hertz oder auch dreiphasig) erfolgt in einer Parallelschaltung der Speicherzellen 20 zwischen der P-Leitung und der N-Leitung. Bei einem einphasigen Netz mit beispielsweise 230 Volt/50 Hertz ist es sinnvoll, die Speicherzellen mit einer Spannungsfestigkeit von 400 Volt zu verwenden, um möglichst verlustfrei die Spitzenspannung von 320 Volt zu nutzen. Eine Speicherzelle 20 selber kann eine Verschaltung (Serien-/Parallelschaltung) anderer Einzelkondensatoren sein. Beim Laden werden alle Speicherzellen 20, beispielsweise 30 Stück, parallel geladen. Beim Laden ist eine Strombegrenzung, ausgelegt auf den kleinsten Leitungsquerschnitt zu/in eine Speicherzelle 20, zum Schutz der Speicherzellen bevorzugt. Sind die Speicherzellen 20 geladen, so fließt kein Ladestrom mehr. Nun können die Speicherzellen 20 mittels der Schalteranordnung 17 in Reihe oder in Serie geschaltet werden, sodass zwischen den Hochvoltkontakten 8, 9 eine Serienschaltung aus Speicherzellen 20 geschaltet ist. So kann beispielsweise eine Hochspannung von 30·320 Volt = 9.600 Volt erzeugt werden. Teil dieser Parallelschaltung ist auch ein Hochvoltschalter Sb, welcher in der Lage ist, die erzeugte Hochspannung 12, in dem Beispiel als 9.600 Volt, zu schalten. Bevorzugt ist der Hochspannungsschalter Sb in der Lage, mindestens 10 Kilovolt zu schalten. Aufgrund von Sicherheitsaspekten bei der Hochvolt-Übertragung kann es notwendig sein, dass an jedem Ende der Serienschaltung, also sowohl am Hochvoltkontakt 8 als auch am Hochvoltkontakt 9, jeweils ein Hochvoltschalter Sb, S4 zu verwenden ist. Es steht nun die Ladestation für eine Übertragung eines Ladepulses mit 9.600 Volt zur Verfügung.
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Die Energiespeicherkapazität der Ladestation 2 in Serienschaltung ist größer als oder gleich der Energiespeicherkapazität des Verbrauchers 3, wenn dieser seine Speicherzellen 20' zwischen die Hochvoltkontakte 8', 9' in Serie schaltet. Sinnvoll für die Übertragung mehrerer Ladepulse ist die Wahl eines Faktors 10 oder größer. Durch viele Speicherzellen können einige auch geladen werden, während andere in der Serienschaltung für die Energieübertragung zum Verbraucher 3 zur Verfügung stehen.
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Wie bereits ausgeführt, entspricht der Grundaufbau des Verbrauchers 3 als Anordnung von Speicherzelen 20', Schalteranordnung 17' und Widerständen Rse im Prinzip demjenigen der Ladestation 2. Weiterhin verfügt der Verbraucher 3 über eine Batterie 16, die beispielsweise aus einzelnen Batterien oder Batteriemodulen gebildet sein kann. Beispielsweise kann die Batterie 16 eine Batteriespannung von 400 Volt vorsehen. Die Spannungsfestigkeit der Speicherzellen 20' ist größer als die Batteriespannung der Batterie 16. Im Beispiel von 400 Volt Batteriespannung beträgt die Spannungsfestigkeit der Speicherzellen 20' beispielsweise 450 Volt. In dem Verbraucher 3 gibt es für die Speicherzellen 20' drei verschiedene Verschaltungen, durch die sich jeweils ein Betriebsmodus des Verbrauchers 3 ergibt.
- 1. In Serienschaltung für die Energieübernahme von der Ladestation 2,
- 2. in Parallelschaltung für das Laden der Batteriezellen der Batterie 16, wobei dies alle oder auch nur jeweils einige der Speicherzellen 20' betrifft,
- 3. als Erweiterung einer Zwischenkreiskapazität für die Motoransteuerung eines Antriebsmotors des Verbrauchers 3, wobei dies ebenfalls wieder alle oder auch nur einige der Speicherzellen 20' betreffen kann.
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Bevorzugt ist an einem Ende der Serienschaltung des Verbrauches eine Strombegrenzungsschaltung vorgesehen, die auf den kleinsten Leitungsquerschnitt zu/in die Speicherzellen 20' zum Schutz der Speicherzellen ausgelegt ist.
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Das Laden der Batteriezellen der Batterie 16 aus den Speicherzellen 20' erfolgt mittels des DC-DC-Wandlers 14, um die Speicherzellen 20' weitestgehend entladen zu können.
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Das Übertragen eines Ladepulses für die Energieübertragung kann wie folgt vorgesehen sein:
Die Kontaktierung der Ladestation 2 und des Verbrauchers 3 erfolgt mechanisch über die Hochvoltkontakte 8, 8' und 9, 9'. Hierbei werden wenigstens jeweils zwei Kontakte (hier Plus und Minus genannt) unter Berücksichtigung der Luft- und/oder Kriechstrecken mechanisch aufeinander gepresst, bis ein maximaler Kontaktwiderstand von kleiner als 1 Ohm, insbesondere kleiner als 0,5 Milliohm, je Kontaktpaar erreicht ist. Jetzt wird die Reihenschaltung der Speicherzellen 20 und die Reihenschaltung der Speicherzellen 20' von Ladestation 2 und Verbraucher 3 erzeugt. Zu diesem Zeitpunkt sind die Hochvoltschalter Sb, S4, Sb', S4' offen. Es kann noch kein Ladestrom zwischen Ladestation 2 und Verbraucher 3 fließen. Es werden dann die Hochvoltschalter geschlossen, sodass ein Ausgleichstrom oder Ladestrom von der Ladestation 2 (aus der Serienschaltung der Speicherzellen 20) zum Verbraucher 3 (in die Serienschaltung der Speicherzellen 20') bis zum Spannungsausgleich fließt. Der Spannungsausgleich wird detektiert, indem beispielsweise eine (nicht dargestellte) Strommesseinrichtung an einem der Kontaktpaare 8, 8', 9, 9' die Stromstärke erfasst. Fließt kein Ladestrom mehr, ist der Spannungsausgleich eingestellt oder hergestellt. Ein Spannungsausgleich ist dann das Ende des Ladepulses oder Energiepulses. Dieser Ladepuls erfolgt bei Hochspannung 12 mit einem entsprechend kleineren Strom als bei einer niedrigeren Spannung, um dieselbe Energie zu übertragen. Alle Bauteile werden preiswert eigensicher bis zu ihren Spezifikationsgrenzen eingesetzt.
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Nun trennen zuerst die Hochvoltschalter Sb, Sb', S4, S4'. Im Verbraucher 3 werden nun die Widerstände Rse abgeschaltet und die Schalteranordnung 17' trennt die Speicherzellen 20' in einzelne galvanisch getrennte Elemente. Mit anderen Worten wird die Serienschaltung der Speicherzellen 20' aufgelöst oder beendet. Hiernach werden die Speicherzellen 20' jeweils einzeln im oben beschriebenen Betriebsmodus 2 oder 3 verschaltet. Haben die Speicherzellen 20' des Verbrauchers 3 die Batteriezellen der Batterie 16 geladen, so können sie für den nächsten Ladepuls wieder zu einer Serienschaltung verschaltet werden.
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Besitzen die Ladestation 2 und/oder der Verbraucher 3 ausreichend viele Speicherzellen 20, 20', so können über die jeweilige Schalteranordnung 17, 17' mittels diverser Energiepulse oder Ladepulse jeweils immer andere der Speicherzellen 20, 20' geladen werden.
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Mit diesen Voraussetzungen ist es möglich, eine mehrdimensionale Optimierung nach:
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- – Kondensatortyp (Spannungsfestigkeit, Bauraum, Innenwiderstand, Lebensdauer),
- – Kondensatorkosten,
- – Schaltertyp (Spannungsfestigkeit, Durchleitwiderstand Rdson),
- – Schalterkosten,
- – Energieeffizienz,
- – Gesamtbauraum und/oder
- – Spannungswert der Hochspannung 12 durchzuführen. Entwickelt sich die Technologie weiter, so verändern sich die Kosten, der Bauraum und andere Randbedingungen. Hierbei kann mit dem gleichen Grundkonzept flexibel reagiert werden, indem entsprechend andere Speicherzellen 20, 20' und Schalter 18, 18' eingebaut werden. Der hybride Betrieb unterschiedlicher Speicherzellen 20, 20' kann durch die Steuereinrichtung 21, 21' dadurch kompensiert werden, dass für jede Speicherzelle 20, 20' jeweilige Kenndaten 27, 27' berücksichtigt werden, welche dazu genutzt werden, die einzelnen Speicherzellen 20, 20' mittels der Schalter 18, 18' zu betreiben und/oder mit Spannung und/oder Strom zu beaufschlagen.
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Im Folgenden sind Schaltmuster angegeben, mittels welchen in der Ladestation 2 auch eine als Wechselspannung übertragene Versorgungsspannung 10 zum Aufladen der parallelgeschalteten Speicherzellen 20 über die P-Leitung und die N-Leitung möglich ist. Hierbei steht der Wert 0 für einen offenen Schalter und der Wert 1 für einen geschlossenen Schalter.
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Laden bei positiver Halbwelle:
S1 = 1, S2 = 1, S3 = 1, S3' = 0, S4 = 0, S5 = 1, S6 = 0, S7 = 1, S8 = 0, S9 = 1
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Laden bei negativer Halbwelle:
Umpolen der jeweiligen Speicherzelle 20 zwischen der P-Leitung und der N-Leitung.
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Zum Erzeugen eines Ladepulses wird eine Serienschaltung der Speicherzellen 20 bewirkt:
S1 = 0, S2 = 0, S3 = 0, S4 = 1, S5 = 1, S6 = 0, S7 = 1, S8 = 0, S9 = 0, S11 = 0, S12 = 1, S13 = 0, S14 = 0, Sa = 0, Sb = 1, Sc = 1, Sd = 0, Se = 1, Sf = 0, Sg = 0
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Auf der Empfangsseite des Verbrauchers 3 dient die P-Leitung als Plus-Leitung für die Batterie und/oder den Zwischenkreis des Umrichters und die N-Leitung als Minus-Leitung für die Batterie und/oder den Zwischenkreis.
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Das Umladen in dem Zwischenkreis erfolgt invers zum Laden gemäß Betriebszustand 1 und Entladen des Betriebszustandes 2.
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Durch die Erfindung ist somit eine frei konfigurierbare Energiematrix in der homogen die gleichen Energiequellen oder heterogen unterschiedliche Energiequellen zum Laden, zur Ladungsübertragung und zum Lastbetrieb während des Betriebs frei konfiguriert werden können. Diese Konfiguration kann lastabhängig im Betrieb geändert werden. Gerade der Energiespeicher auf Lastseite (Verbraucher) kann durch Konfiguration mit verschiedenen Spannungen auf der Quellenseite, das heißt mit unterschiedlichen Ladestationen mit unterschiedlichen Hochvoltspannungen geladen werden. Einzelne Energiespeicher können galvanisch sicher/beidseitig getrennt beziehungsweise zugeschaltet werden.
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Die Speicherzellen bestehen aus einem Energiespeicher (beispielsweise einem Kondensator), einem parallel dazu geschalteten schaltbaren Widerstand (für das Entladen und für das Symmetrieren), je einem Schalter an jedem Pol des Energiespeichers sowie zwei weiteren Schaltern zum Einbinden in den Verbund, das heißt zum Verschalten mit der P-Leitung, der N-Leitung und den Hochvoltkontakten 8, 9. Eine solche Basiszelle oder Speicherzelle unterscheidet sich wesentlich von normalen Batteriezellen oder Kondensatoren, da die Speicherzelle komplett beidseitig galvanisch aus dem Verbund getrennt werden kann, ohne dass hierbei ein Energiefluss zwischen den verbleibenden Speicherzellen behindert oder blockiert wird.
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Hierdurch sind eine freie Potenzialwahl und eine frei konfigurierbare Verschaltung der Speicherzellen möglich. Es ergibt sich stets ein sicherer Zustand mit beidseitig galvanischer Trennung der Hochvoltkontakte und eine sichere Entladung jedes Energiespeichers 24 über seinen Widerstand Rse. Durch die Hochvolt-Energieübertragung ist weniger Strom nötig als bei Energieübertragung bei Versorgungsspannung. Durch die Ansteuerbarkeit der einzelnen Schalter der Schalteranordnung 17 ist eine beliebige Verschaltung der Speicherzellen zu einem frei konfigurierbaren Energieverbund möglich. Hierbei ist zum Beispiel auch eine veränderbare oder einstellbare Ausgangsspannung auf der Verbraucherseite möglich. Genauso können unterschiedlich hohe Hochspannungen 12 zum Aufladen der Speicherzellen 20' genutzt werden, indem entsprechend viele Speicherzellen 20' zu einer Serienschaltung verschaltet werden, sodass die Hochspannung über den in Serie geschalteten Speicherzellen 20' nicht zu einem Spannungsdurchbruch bei einzelnen Speicherzellen 20' führt.
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Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung eine schnelle Pulsladung (Fast-Pulse-Charging) bereitgestellt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 5960898 A [0003]
- US 2010/0244459 A1 [0004]
- DE 102005000979 A1 [0005]
