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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bordnetz für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren für den Betrieb eines solchen Bordnetzes.
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Es ist bekannt, dass in Fahrzeugen Bordnetze eingesetzt werden, um einzelne Verbraucher im Fahrzeug mit elektrischer Energie zu versorgen. Solche Verbraucher können zum Beispiel eine Radioanlage, ein Navigationsgerät, eine Klimaanlage oder Ähnliches sein. Üblicherweise ist bei bekannten Fahrzeugen das Bordnetz als 12-Volt-Bordnetz ausgeführt. Jedoch sind je nach Fahrzeuggrößen und Anzahl der elektrischen Verbraucher auch Bordnetze mit höheren Voltzahlen, zum Beispiel 24 Volt oder 48 Volt, bekannt. Bei modernen Fahrzeugen, welche eine Vielzahl von elektrischen Verbrauchern aufweisen, ist es gewünscht, eine besonders hohe Voltzahl in einem möglichst stabilen Bordnetz zur Verfügung zu stellen.
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Nachteilhaft bei den bekannten Bordnetzen ist es, dass diese insbesondere bei hohen Voltzahlen, also vorzugsweise bei einem 48-Volt-Bordnetz, mit hohem Aufwand konstruiert und ausgeführt sein müssen. Dies bezieht sich insbesondere auf die Stabilität der zu haltenden Voltzahl für das Bordnetz. Hierfür sind sowohl Verbrauchsbetriebsweisen als auch Generatorbetriebsweisen zu berücksichtigen. Im üblichen Fall werden die einzelnen Verbraucher elektrische Energie verbrauchen und damit als Energiesenke dazu führen, dass die Voltzahl im Bordnetz reduziert werden würde. Eine entsprechende Wandlervorrichtung gemäß dem Stand der Technik führt Energie nach, um auf diese Weise den gewünschten Wert von 48 Volt für das Bordnetz zu halten. Um jedoch im umgekehrten Fall, wenn also ein einzelner Verbraucher oder mehrere Verbraucher zusammen Energie erzeugen, einen zu hohen Wert für die Spannung im Bordnetz zu vermeiden, ist im Bordnetz bei bekannten Lösungen eine separate Speichervorrichtung, zum Beispiel in Form eines Kondensators, vorhanden. Dies führt zu einer erhöhten Komplexität des Bordnetzes, zu erhöhten Kosten und einem erhöhten Gewicht.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise ein Bordnetz zur Verfügung zu stellen, welches kostengünstig und einfach für Verbraucher sowohl im Verbrauchsbetrieb als auch im Generatorbetrieb einsetzbar ist.
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Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Bordnetz mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Bordnetz beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, so dass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Erfindungsgemäß ist ein Bordnetz vorgesehen für ein Fahrzeug. Dieses Bordnetz weist einen DC/DC-Wandler auf, welcher mit einer ersten Anschlussseite und einer zweiten Anschlussseite ausgestattet ist. Jede Anschlussseite ist mit entsprechenden Anschlusspolen versehen, um eine elektrische Verbindung zur Ausbildung eines elektrischen Stromkreises zur Verfügung stellen zu können. Die erste Anschlussseite ist mit einer Batterievorrichtung verbindbar. Die zweite Anschlussseite ist mit wenigstens einem elektrischen Verbraucher des Fahrzeugs verbindbar. Der DC/DC-Wandler ist ausgebildet für eine wechselnde Betriebsweise. Der Wechsel der Betriebsweise kann erfolgen zwischen einer ersten Energieflussrichtung von der ersten Anschlussseite zur zweiten Anschlussseite und einer zweiten Energieflussrichtung von der zweiten Anschlussseite zur ersten Anschlussseite. Die erste Energieflussrichtung dient damit der Versorgung des Verbrauchers mit Energie. Die zweite Energieflussrichtung dient zur Speicherung von Energie in der Batterievorrichtung. Mit anderen Worten sind die beiden Energieflussrichtungen entgegengesetzte Betriebsweisen des DC/DC-Wandlers.
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In erfindungsgemäßer Weise dient der DC/DC-Wandler in seiner primären Funktion der Versorgung der Verbraucher mit elektrischer Energie von der Batterievorrichtung. Die Batterievorrichtung kann dabei zum Beispiel eine später noch erläuterte Antriebsbatterie eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs sein. Sobald ein Verbraucher auf der zweiten Anschlussseite des DC/DC-Wandlers elektrische Energie verbraucht, wird durch den auf diese Weise erzeugten Stromfluss die Spannung bzw. der Spannungswert auf der zweiten Anschlussseite absinken. Sobald der DC/DC-Wandler dies erkennt, kann ein Nachregeln des Energieflusses erfolgen, um die Spannung wieder auf den gewünschten Wert an der zweiten Anschlussseite hochzuregeln.
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Für den Fall, dass auf Verbraucherseite, also auf der zweiten Anschlussseite durch ein Erzeugen von Energie sich ein zu hoher Spannungswert einstellen würde, kann nun der DC/DC-Wandler automatisch zwischen der ersten Energieflussrichtung und der zweiten Energieflussrichtung umschalten. Damit wird es möglich, die erzeugte Energie aus der zweiten Anschlussseite und damit von Verbraucherseite des DC/DC-Wandlers zurück zu der Batterievorrichtung zu führen und dort zu speichern.
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Mit anderen Worten wird nun die Batterievorrichtung der primären Zurverfügungstellung von Energie entlang der ersten Energieflussrichtung zu den Verbrauchern genutzt. Zusätzlich und damit als sekundäre Funktion wird die Batterievorrichtung auch zur Speicherung von Energie verwendet, welche entlang der zweiten Energieflussrichtung durch Erzeugung von den Verbrauchern über den DC/DC-Wandler wieder zurückgeführt wird. Dadurch, dass mithilfe der Batterievorrichtung nun auch die sekundäre Funktion der Speicherung von Energie auf der ersten Anschlussseite des DC/DC-Wandlers gewährleistet ist, kann auf eine separate Speichervorrichtung auf der zweiten Anschlussseite des DC/DC-Wandlers, also auf der Verbraucherseite des Bordnetzes, gänzlich verzichtet werden oder aber dieser zumindest kleiner ausgeführt werden. Durch die Reduktion der Größe der notwendigen Speichervorrichtung oder sogar den gänzlichen Verzicht auf eine solche, werden Reduktionen der Herstellkosten, des Gewichts und der Gesamtkomplexität des Systems des Bordnetzes möglich.
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Ein DC/DC-Wandler ist im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Wandler zwischen Gleichstrom seitens der Batterievorrichtung und Gleichstrom seitens der Verbraucher. Die Wandlungsfunktionalität des DC/DC-Wandlers bezieht sich dabei auf die Umwandlung von unterschiedlichen Spannungswerten zwischen der ersten Anschlussseite und der zweiten Anschlussseite. Die Regelungsfunktionalität bzw. die Kontrollfunktionalität kann dabei sowohl in den DC/DC-Wandler integriert sein, oder auch als separate Kontrolleinheit zur Verfügung gestellt werden. Ein erfindungsgemäßes Bordnetz ist bereits dann vorhanden, wenn eine grundsätzliche Verbindbarkeit mit der Batterievorrichtung und den Verbrauchern besteht. Selbstverständlich ist es auch ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wenn der DC/DC-Wandler auf seiner ersten Anschlussseite mit einer Batterievorrichtung bereits verbunden ist und/oder der DC/DC-Wandler auf seiner zweiten Anschlussseite mit einem oder mehreren Verbrauchern bereits verbunden ist.
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Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bordnetz der DC/DC-Wandler eine Kontrolleinheit aufweist, welche die Betriebsweise zwischen der ersten Energieflussrichtung und der zweiten Energieflussrichtung in Abhängigkeit einer Verbraucherspannung an der zweiten Anschlussseite kontrolliert. Unter einer Kontrolle ist im Sinne der vorliegenden Erfindung sowohl ein Steuern als auch ein Regeln zu verstehen. Bevorzugt ist jedoch eine Kontrolleinheit, welche zum Regeln in Abhängigkeit von der Verbraucherspannung, also mit einem rückgekoppelten Regelkreis ausgebildet ist. Dabei können ein oder mehrere Grenzwerte vorgegeben werden, welche mithilfe einer Vergleichseinheit in der Kontrolleinheit mit der Verbraucherspannung verglichen werden. Liegt beispielsweise eine bestimmte Verbraucherspannung oberhalb eines Grenzwertes, so dient die Kontrolleinheit dazu, die Energieflussrichtung in die zweite Energieflussrichtung einzustellen, so dass Energie aus der zweiten Anschlussseite des DC/DC-Wandlers abgezogen wird, um die entsprechende Verbraucherspannung wieder zu senken. Befindet sich die Verbraucherspannung unterhalb eines Grenzwertes, so kann die Energieflussrichtung auf die erste Energieflussrichtung durch die Kontrolleinheit eingestellt werden, so dass auf diese Weise die Verbraucherspannung wieder erhöht wird. Der entsprechende Grenzwert kann auch als Grenzkorridor angeordnet werden, um ein unerwünschtes Schwingungsverhalten bei der Kontrolle bzw. der Regelung und/oder der Steuerung zu vermeiden.
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Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bordnetz die Kontrolleinheit einen oberen Grenzwert und einen unteren Grenzwert für die Verbraucherspannung an der zweiten Anschlussseite gespeichert hat. Diese beiden Grenzwerte, also der obere Grenzwert und der untere Grenzwert, ergeben zusammen einen Grenzkorridor, in welchem der Zielkorridor für die Regelung bzw. die Kontrolle der Verbraucherspannung liegt. Solange die Verbraucherspannung sich zwischen diesen beiden Grenzwerten und damit im Grenzkorridor bewegt, findet kein Regelungseingriff statt. Bewegt sich die Verbraucherspannung bei der Bestimmung über den oberen Grenzwert, so wird die zweite Energieflussrichtung als Betriebsweise für den DC/DC-Wandler ausgewählt. Dies erfolgt solange, bis die Verbraucherspannung nicht nur den oberen Grenzwert wieder nach unten unterschritten, sondern auch den unteren Grenzwert ebenfalls unterschritten hat. Erst dann wird beim DC/DC-Wandler die Energieflussrichtung in die erste Energieflussrichtung umgedreht, so dass wieder ein Anstieg der Verbraucherspannung zu erwarten ist.
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Ein weiterer Vorteil ist erzielbar, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bordnetz die Batterievorrichtung eine Hochvolt-Batterie aufweist, insbesondere für den elektrischen Antrieb des Fahrzeugs. Elektrisch angetriebene Fahrzeuge sind mit sehr großen und leistungsfähigen Batterievorrichtungen in Form von Hochvolt-Batterien ausgestattet. Die primäre Funktionalität solcher Hochvolt-Batterien ist also der elektrische Antrieb eines solchen Fahrzeugs. Zusätzlich kann diese sehr leistungsfähige Hochvolt-Batterie auch als Batterievorrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung für die Energieversorgung des Bordnetzes verwendet werden. Damit wird durch die doppelte Funktionalität keine separate Energiequelle für ein elektrisches Fahrzeug und dessen Bordnetz mehr notwendig. Die entsprechende Kosteneinsparung geht einher mit einer Gewichtseinsparung durch den Verzicht auf eine separate Energiequelle.
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Weiter von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bordnetz die zweite Anschlussseite mit zumindest zwei Verbrauchern verbindbar ist. Das bedeutet, dass nicht nur ein Einziger, sondern vorzugsweise eine Vielzahl von gleichen und/oder unterschiedlichen Verbrauchern auf der Verbraucherseite und damit der zweiten Anschlussseite des DC/DC-Wandlers parallel angeordnet sind. Sämtliche Verbraucher zusammen und deren aktueller Betriebsstatus ergeben somit eine gemeinsame Verbraucherspannung, die an der zweiten Anschlussseite des DC/DC-Wandlers anliegt. Diese gemeinsame Verbraucherspannung für alle Verbraucher gilt somit als Regelungseingang für die Kontrolleinheit, so dass unabhängig von der tatsächlichen Anzahl der Verbraucher eine einfache, schnelle und kostengünstige Kontrollmöglichkeit über die Kontrolleinheit für den DC/DC-Wandler gegeben ist.
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Ein weiterer Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Bordnetz die erste Anschlussseite mit einem Energieerzeuger verbindbar ist für ein Aufladen der Batterievorrichtung. Auch hier ist eine Reihenschaltung zwischen Batterievorrichtung und Energieerzeuger denkbar. Ein solcher Energieerzeuger kann auch als sogenannter Range-Extender bezeichnet werden, und zum Beispiel in Form eines Verbrennungsmotors vorliegen. Er dient als Energiequelle, um die Batterievorrichtung bei niedrigen Ladeständen aufzuladen. Ein solcher Energieerzeuger kann jedoch auch extern vom Fahrzeug angeordnet sein, und zum Beispiel eine Ladestation in einer Parkposition des Fahrzeugs sein.
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Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren für den Betrieb eines erfindungsgemäßen Bordnetzes, aufweisend die folgenden Schritte:
- – Bestimmen einer Verbraucherspannung an der zweiten Anschlussseite des DC/DC-Wandlers,
- – Auswählen der ersten Energieflussrichtung oder der zweiten Energieflussrichtung des DC/DC-Wandlers in Abhängigkeit von der Verbraucherspannung.
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Durch den Betrieb eines erfindungsgemäßen Bordnetzes bringt ein erfindungsgemäßes Verfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Bordnetz erläutert worden sind.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren lässt sich dahingehend weiterbilden, dass die bestimmte Verbraucherspannung mit einem oberen Grenzwert verglichen wird, wobei bei einem Überschreiten des oberen Grenzwertes die zweite Energieflussrichtung als Betriebsweise für den DC/DC-Wandler ausgewählt wird. Bewegt sich also die Verbraucherspannung über einen definierten Grenzwert nach oben hinaus und steigt somit in unzulässiger Weise an, wird die zweite Energieflussrichtung ausgewählt, so dass von der zweiten Anschlussseite und damit von der Verbraucherseite des DC/DC-Wandlers sozusagen Energie abgezogen und in die Batterievorrichtung auf der ersten Anschlussseite des DC/DC-Wandlers zurückgespeichert wird. Durch diese Rückspeicherung wird sich der Wert für die Verbraucherspannung reduzieren und eine gewünschte Unterschreitung des oberen Grenzwertes mit der Zeit eintreten.
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Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren die bestimmte Verbraucherspannung mit einem unteren Grenzwert verglichen wird, wobei bei einem Unterschreiten des unteren Grenzwertes die erste Energieflussrichtung als Betriebswert für den DC/DC-Wandler ausgewählt wird. Hier wird sichergestellt, dass das Bordnetz mit einer ausreichenden Mindestspannung betrieben wird. Sobald diese Mindestspannung in Form des unteren Grenzwertes durch die Verbraucherspannung unterschritten wird, erfolgt das Auswählen der ersten Energieflussrichtung, so dass entsprechend Energie von der Batterievorrichtung und von der ersten Anschlussseite des DC/DC-Wandlers für die Verbraucherseite und damit die zweite Anschlussseite des DC/DC-Wandlers zur Verfügung gestellt wird. Dies erfolgt solange, bis das Unterschreiten überwunden wurde und die Verbraucherspannung wieder oberhalb des unteren Grenzwertes liegt.
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Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn bei einem erfindungsgemäßen Verfahren der untere Grenzwert kleiner ist als der obere Grenzwert. Mit anderen Worten sind hier ein oberer Grenzwert und ein unterer Grenzwert in der Regelung miteinander kombiniert, und bilden zusammen einen Grenzkorridor aus. Sobald sich die Verbraucherspannung über den oberen Grenzwert erhebt, wird eine entsprechende Auswahl der zweiten Energieflussrichtung dazu führen, dass Energie von der zweiten Anschlussseite des DC/DC-Wandlers abgezogen wird. Dies führt zu einem Absinken der Verbraucherspannung an der zweiten Anschlussseite. Dieses Absinken erfolgt mit einem Unterschreiten des oberen Grenzwertes und damit einem Erreichen des Grenzkorridors. Sobald die Verbraucherspannung zusätzlich auch noch den unteren Grenzwert unterschreiten sollte, zum Beispiel durch eine Änderung der Verbrauchersituation, wird die Energieflussrichtung wieder umgedreht in die erste Energieflussrichtung, so dass nun wieder Energie der zweiten Anschlussseite von der Batterievorrichtung zur Verfügung gestellt wird, um die Verbraucherspannung wieder anzuheben über den unteren Grenzwert und damit in den Grenzkorridor hinein.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Es zeigen schematisch:
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1 eine schematische Darstellung eines Bordnetzes nach einer Ausführungsform,
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2 die Ausführungsform der 1 mit zusätzlichen Verbrauchern und einem zusätzlichen Energieerzeuger,
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3 eine Regelungskurve mit einem oberen Grenzwert,
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4 eine Regelungskurve mit einem oberen und einem unteren Grenzwert und
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5 eine Regelungskurve mit einem unteren Grenzwert.
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1 zeigt schematisch, wie ein erfindungsgemäßes Bordnetz 10 ausgestaltet sein kann. Der DC/DC-Wandler 20 befindet sich in der Mitte mit seinen beiden Anschlussseiten 22 und 24. Die erste Anschlussseite 22 ist über die beiden Anschlusspole 22a und 22b mit der Batterievorrichtung 30 elektrisch verbunden. Auf der zweiten Anschlussseite 24 ist ebenfalls über zwei Anschlusspole 24a und 24b eine elektrische Verbindung zu einem Verbraucher 40 hergestellt. Dies führt dazu, dass nun der DC/DC-Wandler 20 in zwei separaten und unterschiedlichen Energieflussrichtungen E1 und E2 unterschiedliche Betriebsweisen aufweisen kann. Befindet sich der Verbraucher 40 im eingeschalteten Zustand, wird entlang der ersten Energieflussrichtung E1 über den DC/DC-Wandler 20 der zweiten Anschlussseite 24 Energie von der ersten Anschlussseite 22 und damit von der Batterievorrichtung 30 zugeführt. Wird durch den Verbraucher 40 keine Energie mehr verbraucht, sondern vielmehr von diesem Energie erzeugt, führt dies zu einem Energieüberschuss auf der zweiten Anschlussseite 24, so dass entsprechend der zweiten Energieflussrichtung E2 diese Energie der ersten Anschlussseite 22 und damit der Batterievorrichtung 30 zurückgeführt werden kann.
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2 zeigt, wie ein entsprechendes Bordnetz 10 erweiterbar ist. So ist selbstverständlich nicht nur ein einziger Verbraucher 40, sondern auch zwei oder wie in diesem Fall drei oder sogar noch mehr Verbraucher 40 auf der zweiten Anschlussseite 24 im Sinne der vorliegenden Erfindung denkbar. Auf der ersten Anschlussseite 22 ist hier zusätzlich ein Energieerzeuger 50, zum Beispiel ein Ladeanschluss oder ein sogenannter Range-Extender in Form eines Verbrennungsmotors für das Laden der Batterievorrichtung 30 angeordnet. Die Funktionsweise unterscheidet sich dabei jedoch nicht oder nur unerheblich von der beschriebenen Funktionsweise zu 1.
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3 zeigt, wie ein möglicher Verlauf der Verbraucherspannung VS an der zweiten Anschlussseite 24 aussehen könnte. Sobald diese Verbraucherspannung VS eine Obergrenze OG über die Zeitachse t überschreitet, wird entsprechend die Energieflussrichtung auf die zweite Energieflussrichtung E2 eingestellt und damit zum Reduzieren der Verbraucherspannung VS unter die Obergrenze OG Energie in Richtung der Batterievorrichtung 30 zum Speichern zurückgezogen. Im umgekehrten Fall zeigt die 5, wie bei der Verwendung einer Untergrenze UG die Verbraucherspannung VS unter diese Untergrenze UG absinkt. Sobald dies erfolgt ist, wird als Betriebsweise für den DC/DC-Wandler 20 die Energieflussrichtung E1 ausgewählt und damit der zweiten Anschlussseite 24 zum Ansteigen der Verbraucherspannung VS Energie zur Verfügung gestellt.
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Die 4 zeigt, wie die beiden Betriebsweisen der 3 und 5 miteinander kombinierbar sind, also eine Obergrenze OG und eine Untergrenze UG gemeinsam einen Grenzkorridor ausbilden können. In gleicher Weise wird nun die Verbraucherspannung beim Überschreiten der Obergrenze OG in die zweite Energieflussrichtung E2 schalten, so dass die Verbraucherspannung VS wieder absinkt. Die Energieflussrichtung wird erst dann wieder in die erste Energieflussrichtung E1 umgedreht, wenn nicht nur die Obergrenze OG, sondern auch die Untergrenze UG unterschritten worden ist. Damit wird ein unerwünschtes Einschwingen oder unerwünschtes schnelles Schwingungsverhalten der gesamten Regelungssituation vermieden bzw. reduziert.
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Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale, sofern technisch, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
