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Aktorsystem mit einer Energieversorgungseinheit und einer mit der Energieversorgungseinheit verbundenen Verbrauchseinheit, wobei die Energieversorgungseinheit einen Energiewandler zur Umwandlung von Umgebungsenergie und einen ersten Energiespeicher aufweist, der durch den Energiewandler aufladbar ist, und wobei die Verbrauchseinheit einen elektrischen Aktuator aufweist.
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Solche Aktorsysteme sind beispielsweise als Stellantriebe bekannt, die über die Energieversorgungseinheit autark mit Energie versorgt werden. Der Energiewandler kann dabei beispielsweise eine Solarzelle oder ein Windgenerator sein. Bei Feldanwendungen können dadurch nahezu beliebige Einsatzzwecke abgedeckt werden.
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Der Erfindung liegt jedoch die Aufgabe zugrunde ein Aktorsystem zu schaffen, das als Heizkörperventilantrieb und Temperaturregelung dienen kann. Dazu bietet sich als Energiewandler ein thermoelektrischer Generator an, der die im Heizkörperrohr vorhandene Wärme nutzt, um das Aktorsystem mit Energie zu versorgen. Thermoelektrische Generatoren besitzen jedoch typischerweise nur geringe Ausgangsleistungen kleiner 1 mW und Ausgangsspannungen zwischen 3 mV und 200 mV. Damit ist es aber nicht möglich, einen Aktuator wie beispielsweise einen Stellantrieb, und die weitere Ansteuerelektronik, insbesondere Funkschnittstellen, zu betreiben.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Aktorsystem zu schaffen, das mit Energiewandlern betreibbar ist, die sehr geringe Leistungen und Spannungen aufweisen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Aktorsystem mit den im Hauptanspruch genannten Merkmalen geschaffen. Das erfindungsgemäße Aktorsystem ist vorteilhaft dadurch gekennzeichnet, dass die vom Energiewandler bereitgestellte Ausgangsspannung kleiner als 200 mV, oder kleiner als 50 mV, oder kleiner als 30 mV ist und der erste Energiespeicher zum Versorgen der Verbrauchseinheit aus der Ausgangsspannung des Energiewandlers aufladbar ist. Beispielsweise kann das Aktorsystem dazu einen Gleichstromwandler aufweisen, der eine Ausgangsspannung des Energiewandlers von 3 mV oder größer auf eine höhere Spannung hochsetzen kann. Beispielsweise kann der Gleichstromwandler mit einer minimale Eingangsspannung im Bereich von 3 mV bis 30 mV, oder im Bereich von 3 bis 50 mV, oder im Bereich von 3 mV bis 200 mV betrieben werden. Über den Gleichstromwandler kann dann ein erster Energiespeicher zur Versorgung einer Verbrauchseinheit des Aktorsystems geladen werden.
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Als Gleichstromwandler kann beispielsweise ein Hochsetzsteller verwendet werden, beispielsweise der Hochsetzsteller „EM8900“ der Firma „EM Microelectronic Marin S.A.“.
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Vorzugweise weist das Aktorsystem eine Ladezustandsüberwachung zum Überwachen des Ladezustands des ersten Energiespeichers und ein erstes Schaltmittel, zum Einschalten oder Ausschalten der Verbrauchseinheit in Abhängigkeit des Ladezustands des ersten Energiespeichers auf. Ebenso ist es bevorzugt, dass die Verbrauchseinheit einen zweiten Energiespeicher zur Versorgung der Verbrauchseinheit aufweist, wobei der zweite Energiespeicher bei eingeschalteter Verbrauchseinheit geladen wird.
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Prinzipiell ist es nun so, dass durch den Energiewandler zunächst nur der erste Energiespeicher geladen wird. Über das erste Schaltmittel ist die Verbrauchseinheit dabei zunächst ausgeschaltet. Erst wenn der erste Energiespeicher ausreichend geladen ist, wird über das erste Schaltmittel die Verbrauchseinheit zugeschaltet. Der erste Energiespeicher dient dabei als Puffer, der die Energieversorgung der Verbrauchseinheit auch dann sicherstellt, wenn der Energiewandler nicht ausreichend Energie zur Verfügung stellt. Der zweite Energiespeicher wird geladen, wenn überschüssige Energie vom Energiewandler vorhanden ist.
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Vorzugsweise ist der Energiewandler ein thermoelektrischer Generator (TEG). Die von TEGs erzeugte elektrische Spannung ist proportional zur Temperaturdifferenz der Kaltseite und der Warmseite des TEGs. Bei einem Heizkörperventilsteller oder anderen Ventilstellern kann die Kaltseite oder die Warmseite in thermischen Kontakt mit einem Rohrsystem sein, dessen Durchfluss mit dem Ventil geregelt wird. Die andere Seite kann beispielsweise die Umgebung oder das Innere des Ventilstellers sein. Durch das Verwenden eines Gleichstromwandlers, der mit sehr kleinen Eingangsspannung betrieben werden kann, können bereits geringe Temperaturdifferenzen am TEG zur Stromversorgung des Aktorsystems ausreichen. Typische TEGs erzeugen aus einer Temperaturdifferenz von wenigen Kelvin eine Spannung im Bereich von einigen mV. Beispielsweise kann eine Temperaturdifferenz von 5K eine Spannung von 50 mV generieren. Somit kann bereits eine Temperaturdifferenz von einem oder zwei Grad Kelvin ausreichen, um einen geeigneten Gleichstromwandler zu betreiben und daraus den Energiespeicher zu laden.
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In der Regel wird ein Aktuator nicht permanent betrieben, so dass der erhöhte Energiebedarf während eines Stellvorgangs durch die Energiespeicher abgedeckt ist. In den Stillstandszeiten wird der zweite Energiespeicher geladen und stellt dadurch ausreichend Energie zur Verfügung, die auch für weitere Verbraucher ausreichend ist. Durch die erfindungsgemäße Anordnung ist die Verbrauchseinheit praktisch unabhängig von der Energieversorgungseinheit. Daher ist es auch möglich ein Aktorsystem mit einem elektrischen Aktuator an einem Energiewandler mit sehr geringer Leistung und/oder Ausgangsspannung zu betreiben. Dies ist jedoch nur möglich, weil die Verbrauchseinheit bei geringem Ladezustand ausgeschaltet werden kann, um so eine Tiefenentladung des Energiespeichers oder einer Beschädigung des Energiewandlers durch Überlastung zu verhindern.
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Da die Ausgangsspannung des Energiewandlers sehr gering ist, ist in der Regel ein Spannungswandler, beispielsweise ein Gleichspannungswandler (DC/DC-Wandler), vorhanden, um die Ausgangsspannung in eine zum Betrieb der Verbrauchseinheit erforderliche Betriebsspannung zu wandeln. Diese Betriebsspannung kann beispielsweise zwischen 1,9 V und 3,3 V betragen. Es sind jedoch auch höhere Betriebsspannungen möglich.
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In einer Ausführung der Erfindung kann der Spannungswandler zwischen der Energieversorgungseinheit und der Verbrauchseinheit geschaltet sein. Der erste Energiespeicher wird bei dieser Anordnung mit der Ausgangsspannung des Energiewandlers geladen. Dabei kann von Vorteil sein, dass der Energiespeicher ohne Umwandlungsverluste durch einen Spannungswandler geladen wird.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist der Spannungswandler direkt dem Energiewandler nachgeschaltet, so dass auch zum Laden des ersten Energiespeichers die Betriebsspannung zur Verfügung steht.
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Unabhängig von der Anordnung des Spannungswandlers ist der zweite Energiespeicher immer auf die Betriebsspannung ausgelegt. Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn die Energiekapazität des zweiten Energiespeichers größer ist als die des ersten Energiespeichers. Insbesondere vorteilhaft ist es, wenn die Energiekapazität des zweiten Energiespeichers mindestens eine Größenordnung größer ist.
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Ob der erste Energiespeicher ausreichend geladen ist kann durch einen Grenzwert festgelegt sein. Liegt der Ladezustand über diesem Grenzwert, kann die Verbrauchseinheit eingeschaltet, liegt er darunter, kann sie ausgeschaltet werden.
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Um undefinierte Schaltzustände oder ein Schwingen des ersten Schaltmittels zu verhindern kann für den Grenzwert eine Hysterese vorgesehen sein. Dazu ist es insbesondere vorteilhaft wenn für den Ladezustand des ersten Energiespeichers ein Einschaltgrenzwert, bei dem die Verbrauchseinheit eingeschaltet wird, und ein Ausschaltgrenzwert, bei dem die Verbrauchseinheit ausgeschaltet wird, definiert ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, weist das Aktorsystem eine Ladezustandsüberwachung zum Überwachen des Ladezustands des zweiten Energiespeichers und ein zweites Schaltmittel zum Einschalten und Ausschalten einzelner Verbraucher der Verbrauchseinheit in Abhängigkeit des Ladezustands des zweiten Energiespeichers auf. Dadurch ist es nun möglich, auch den Ladezustand des zweiten Energiespeichers zu kontrollieren. Insbesondere können dadurch Verbraucher, wie etwa der Aktuator, erst dann eingeschaltet werden, wenn auch der zweite Energiespeicher eine für diesen Verbraucher benötigte Energiemenge bereithält.
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In einer Variante dieser Ausführung kann der erste Energiespeicher daher gerade so groß dimensioniert sein, dass er die Energie zum Betreiben der Ladezustandsüberwachung und der Schaltmittel ermöglicht. Sobald der erste Energiespeicher eine für diese ausreichenden Ladezustand erreicht, wird durch das erste Schaltmittel die Verbrauchseinheit eingeschaltet. In dieser sind jedoch einige oder alle Verbraucher durch das zweite Schaltmittel ausgeschaltet, so dass zunächst nur der zweite Energiespeicher geladen wird. Erst wenn im zweiten Energiespeicher ein ausreichender Ladezustand erreicht ist, werden einzelne Verbraucher eingeschaltet.
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Dafür kann es zweckmäßig sein, wenn für den Ladezustand des zweiten Energiespeichers ein Einschaltgrenzwert, bei dem die Verbraucher eingeschaltet werden, und ein Ausschaltgrenzwert, bei dem die Verbraucher ausgeschaltet werden, vorhanden ist.
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Insbesondere wenn mehrere und verschiedene Verbraucher vorhanden sind, kann es zweckmäßig sein, wenn für jeden schaltbaren Verbraucher der Verbrauchseinheit ein Einschaltgrenzwert und Ausschaltgrenzwert definiert ist. Dadurch können Verbraucher beispielsweise nach ihrem Energieverbrauch gestaffelt eingeschaltet werden. Verbraucher mit hohem Energieverbrauch können so erst bei vollem Energiespeicher eingeschaltet werden.
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Zur Ladezustandsüberwachung kann das Aktorsystem einen Supervisor und/oder Mikrocontroller aufweisen.
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Die Verbraucher der Verbrauchseinheit können praktisch beliebige elektrische Einheiten sein, die auch als Funktionseinheiten klar getrennt sein können. Die Verbrauchseinheit kann als Verbraucher beispielsweise eine Steuerschaltung zum Ansteuern des Aktuators aufweisen. Der Aktuator kann beispielsweise ein Elektromotor sein, wobei die Ansteuerschaltung ein Motorcontroller sein kann.
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Der Aktuator dient zur Umwandlung von elektrischer Energie in eine Bewegung. Der Aktuator kann daher beispielsweise auch ein Piezoaktor sein, oder auf einem anderen physikalischen Prinzip basieren.
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Als Verbraucher kann die Verbrauchseinheit auch eine Funkschnittstelle zum Senden und/oder Empfangen von Daten und/oder Steuerbefehlen aufweisen. Insbesondere kann dadurch eine Kommunikation mit anderen, ähnlichen Aktorsystemen in einem Verbund oder mit einer zentralen Steuereinheit erfolgen.
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Das Aktorsystem kann als Verbraucher auch wenigstens einen Sensor, beispielsweise zur Messung der Umgebungstemperatur oder anderer Messwerte, aufweisen. Durch die Integration eines Sensors kann das Aktorsystem auch als Regelsystem dienen.
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Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Aktorsystems wobei durch den Energiewandler der erste Energiespeicher aufgeladen wird, und wobei wenn der erste Energiespeicher einen vorbestimmten Ladezustand erreicht hat, die Verbrauchseinheit eingeschaltet wird und ein zweiter Energiespeicher geladen wird.
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Dabei kann es insbesondere vorteilhaft sein, wenn in Abhängigkeit des Ladezustands des zweiten Energiespeichers, einzelne Verbraucher der Verbrauchseinheit ein- oder ausgeschaltet werden. Auf diese Weise können Verbraucher mit höherem Energieverbrauch nur dann eingeschaltet werden, wenn im Energiespeicher ausreichend Energie vorhanden ist.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigt:
- 1: ein Blockschaltbild eines ersten erfindungsgemäßen Aktorsystems,
- 2: ein Blockschaltbild eines zweiten erfindungsgemäßen Aktorsystems und
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Die 1 zeigt das Blockschaltbild eines ersten erfindungsgemäßen Aktorsystems, das insgesamt mit 1 bezeichnet ist. Das Aktorsystem 1 ist beispielsweise ein Heizkörperventilsteller, der an einem Heizkörperventil montiert werden kann und eine Regelung der Raumtemperatur ermöglicht. Das Aktorsystem weist im Wesentlichen eine Energieversorgungseinheit 2 und eine Verbrauchseinheit 3 auf.
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Die Energieversorgungseinheit 2 umfasst im Beispiel einen Energiewandler 4, beispielsweise einen thermoelektrischen Wandler, und einen Gleichspannungswandler 5, der die Ausgangsspannung des Energiewandlers von wenigen mV auf eine Betriebsspannung von etwa 3,3 V wandelt. Dem Gleichspannungswandler ist ein erster Energiespeicher 6 nachgeschaltet.
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Der Energiewandler 4 wandelt die Wärme im Heizkreislauf in eine elektrische Ausgangsspannung Ug, die vom Spannungswandler 5 in eine Betriebsspannung Ub gewandelt wird, mit der der erste Energiespeicher 6 geladen wird.
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Die Verbrauchseinheit 3 weist als einzelne Verbraucher 12 einen Mikrocontroller 7 auf, der etwa in einem Motorcontroller integriert sein kann, der mit einem Elektromotor 8 verbunden ist. Der Elektromotor 8 ist im Beispiel als Stellmotor für das Heizkörperventil ausgebildet. Zusätzlich weist die Verbrauchseinheit 3 einen zweiten Energiespeicher 11 auf, der bei eingeschalteter Verbrauchseinheit 3 geladen wird und der zur Bereitstellung von ausreichender Energie für die Verbraucher dient.
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Das Aktorsystem weist zusätzlich eine Ladezustandsüberwachung 9 auf, die den Ladezustand des ersten Energiespeichers 6 überwacht. Die Ladezustandsüberwachung 9 ist mit einem Schaltmittel 10 gekoppelt. In dem Schaltmittel 10 ist für den Ladezustand ein Einschaltgrenzwert, bei dem die Verbrauchseinheit 3 eingeschaltet wird, und ein Ausschaltgrenzwert, bei dem die Verbrauchseinheit 3 ausgeschaltet wird, definiert.
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Im Betrieb des Aktorsystems wird zunächst die Verbrauchseinheit 3 durch das Schaltmittel 10 von der Energieversorgungseinheit 2 getrennt sein. Die vom Energiewandler 4 bereitgestellte Energie wird umgehen in den ersten Energiespeicher 6 geladen, wobei der Ladezustand durch die Ladezustandsüberwachung 9 überwacht wird. Steigt der Ladezustand über den Einschaltgrenzwert schaltet das Schaltmittel 10 die Verbrauchseinheit 3 ein. Dadurch wird der Mikrocontroller 7 aktiv. Der Mikrocontroller alleine benötigt nur wenig Energie, so dass auch der zweite Energiespeicher 11 geladen werden kann. Stellt der Mikrocontroller 7 fest, dass der Aktuator 8 verfahren werden muss, stellt der zweite Energiespeicher 11 dafür ausreichend Energie zur Verfügung, da die Ausgangsleistung des Energiewandlers 4 alleine dafür nicht ausreichend wäre.
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Sinkt der Ladezustand des ersten Energiespeichers 6 unter den Ausschaltgrenzwert, wird die Verbrauchseinheit 3 durch das Schaltmittel 10 von der Energieversorgungseinheit 2 getrennt.
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Die 2 zeigt das Blockschaltbild eines zweiten erfindungsgemäßen Aktorsystems 1, das hier ebenfalls beispielsweise ein Heizkörperventilsteller ist. Das Aktorsystem weist auch hier im Wesentlichen eine Energieversorgungseinheit 2 und eine Verbrauchseinheit 3 auf.
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Die Energieversorgungseinheit 2 entspricht dabei der Energieversorgungseinheit 2 der 1.
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Die Verbrauchseinheit 3 weist als Verbraucher 12 einen Mikrocontroller 7, eine Funkschnittstelle 13 und einen Elektromotor 8 als Aktuator auf. Die Funkschnittstelle 13 und der Elektromotor 8 sind jeweils über Schalter 14 mit der Betriebsspannung Ub verbunden. In dieser Ausführung ist auch der zweite Energiespeicher 11 als Verbraucher geschaltet, der ebenfalls über einen Schalter 14 mit der Betriebsspannung verbunden ist.
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Die Schalter 14 sind durch den Mikrocontroller 7 angesteuert, so dass der Mikrocontroller 7 im Verbund mit den Schaltern 14 im Wesentlichen als zweites Schaltmittel 15 dient, über das einzelne Verbraucher unabhängig voneinander einschaltbar und ausschaltbar sind.
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Der Mikrocontroller 7 ist auch zur Überwachung des Ladezustands des zweiten Energiespeichers 11 ausgebildet. Im Mikrocontroller sind für jeden Verbraucher separate Einschaltgrenzwerte und Ausschaltgrenzwerte hinterlegt, die für jeden Verbraucher individuelle Schaltpunkte definieren.
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Das Aktorsystem weist zusätzlich einen Supervisor 16 auf, der mit einem ersten Schalter 10 verbunden ist. Der Supervisor 16 liegt an der Betriebsspannung Ub an und überwacht den Ladezustand des ersten Energiespeichers. Der Schalter liegt in der Betriebsspannungsleitung zur Verbrauchseinheit 3. Im Supervisor ist ein Einschaltgrenzwert und ein Ausschaltgrenzwert für den Ladezustand des ersten Energiespeichers hinterlegt, so dass die Verbrauchseinheit 3 vollständig in Abhängigkeit des Ladezustands einschaltbar oder ausschaltbar ist.
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Für die Erklärung der Funktionsweise im Betrieb wird zunächst von einem leeren ersten Energiespeicher ausgegangen. Der Ladezustand liegt daher unter dem Ausschaltgrenzwert, so dass die Verbrauchseinheit 3 ausgeschaltet ist. Energie, die durch den Energiewandler zur Verfügung gestellt wird, wird vollständig, abgesehen von Wandlungsverlusten im Spannungswandler 5, in den ersten Energiespeicher 6 geladen.
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Überschreitet der Ladezustand des ersten Energiespeichers 6 den Einschaltgrenzwert, steuert der Supervisor 16 den ersten Schalter 10 an, um die Verbrauchseinheit 3 einzuschalten. Dadurch wird der Mikrocontroller 7 aktiviert, der sogleich den Ladezustand des zweiten Energiespeichers bestimmt. Zunächst sei der zweite Energiespeicher 11 ebenfalls leer oder in einem niedrigen Ladezustand, weshalb der Mikrocontroller 7 die Funkschnittstelle 13 und den Elektromotor 8 nicht einschaltet. Der zweite Energiespeicher 11 wird jedoch eingeschaltet, so dass dieser geladen wird.
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Bei steigendem Ladezustand werden dann in Abhängigkeit der individuellen Grenzwerte die unterschiedlichen Verbraucher 12 eingeschaltet.
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So kann beispielsweise die für den Betrieb des Aktorsystems 1 nicht unbedingt erforderliche Funkschnittstelle 13 erst später aktiviert werden, beispielsweise wenn der zweite Energiespeicher 11 bei 90% Ladezustand liegt, während der Elektromotor 8 bereits bei 60% aktiviert wird. Selbstverständlich können die Grenzwerte je nach Anwendung und Energieverbrauch der einzelnen Verbraucher 12 angepasst und nahezu beliebig festgelegt werden.
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Sinkt der Ladezustand im zweiten Energiespeicher 11, etwa weil der Energiewandler 4 keine Energie mehr liefert, werden in Abhängigkeit der individuellen Grenzwerte die unterschiedlichen Verbraucher 12 wieder ausgeschaltet. So kann beispielsweise die Funkschnittstelle 13 bei 80% Ladezustand und der Elektromotor 8 bei 55% ausgeschaltet werden. Insbesondere wird auch der zweite Energiespeicher 11 ausgeschaltet um eine schädliche Tiefenentladung zu verhindern oder um eine Restlademenge zu erhalten. Schließlich wird der Supervisor 16 die Verbrauchseinheit 3 vollständig ausschalten.
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Der Supervisor 16 bleibt immer mit der Betriebsspannung Ub verbunden. Der Supervisor 16 ist jedoch ein spezialisierter Baustein, der nur sehr wenig Energie benötigt und somit den Energiewandler nicht wesentlich belastet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Aktorsystem
- 2
- Energieversorgungseinheit
- 3
- Verbrauchseinheit
- 4
- Energiewandler
- 5
- Gleichspannungswandler
- 6
- erster Energiespeicher
- 7
- Mikrocontroller
- 8
- Elektromotor
- 9
- Ladezustandsüberwachung
- 10
- erstes Schaltmittel
- 11
- zweiter Energiespeicher
- 12
- Verbraucher
- 13
- Funkschnittstelle
- 14
- Schalter
- 15
- zweites Schaltmittel
- 16
- Supervisor
- Ub
- Betriebsspannung
- Ug
- Ausgangsspannung des Energiewandlers
