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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung eines Einschaltstroms eines elektrischen Verbrauchers. Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Energiespeicherungsvorrichtung zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers, wobei die elektrische Energiespeicherungsvorrichtung eingerichtet ist, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen.
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Stand der Technik
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Der Einschaltstrom eines durch eine Batterie versorgten elektrischen Verbrauchers ist im ersten Moment nur durch den ohmschen Widerstand des elektrischen Verbrauchers und den Innenwiderstand der Batterie sowie von Kabeln zwischen dem elektrischen Verbraucher und der Batterie begrenzt.
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Dies kann für kurze Zeit zu sehr hohen Strömen führen, die einen Hauptschalter, der zum Ein- und Ausschalten des elektrischen Verbrauchers dient, belasten und einen Verschleiß der Kontakte des Hauptschalters bewirken. Dieser Strom wird im Stand der Technik durch temporäre Zuschaltung eines Begrenzungswiderstandes bzw. mehrerer Begrenzungswiderstände verringert. Hierfür werden ein Leistungswiderstand bzw. mehrere Leistungswiderstände und ein hochbelastbarer Hauptschalter bzw. mehrere Schalter benötigt. Am Begrenzungswiderstand bzw. an den Begrenzungswiderständen treten hohe Verlustleistungen auf, welche zu einer thermischen Belastung eines die Batterie und den elektrischen Verbraucher umfassenden Systems führt.
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Das Dokument
DE 10 2015 008 881 A1 beschreibt ein integriertes Starter- und Bordnetztrennmodul zum Anschluss an eine Starterbatterie und an ein Bordnetz mit einem Wandler. Das Bordnetztrennmodul weist einen Vorwiderstand zur Begrenzung eines Anlaufstroms eines Startermotors auf.
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Das Dokument
DE 10 2014 212 263 A1 offenbart eine Schaltungsanordnung zur Anlaufstrombegrenzung einer elektrischen Maschine. Dabei wird ein strombegrenzendes Element verwendet, welches als ein Widerstand ausgebildet ist.
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Das Dokument
DE 10 2011 085 625 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Begrenzung des Einschaltstroms für einen Anlasser eines Fahrzeugs. Die Vorrichtung weist eine Einschaltstromsteuereinheit auf, welche zwei Widerstände umfasst.
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Offenbarung der Erfindung
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Es wird ein Verfahren zur Begrenzung eines Einschaltstroms eines elektrischen Verbrauchers vorgeschlagen. Dabei wird der elektrische Verbraucher durch eine elektrische Energiespeicherungsvorrichtung versorgt. Die elektrische Energiespeicherungsvorrichtung umfasst dabei mindestens ein elektrisches Energiespeichermodul, wobei das mindestens eine elektrische Energiespeichermodul mehrere in Reihe zueinander geschaltete elektrische Energiespeichereinheiten aufweist. Die elektrischen Energiespeichereinheiten sind jeweils mit einem ersten und zweiten steuerbaren Schalterelement versehen. Dabei ist das erste steuerbare Schalterelement in Reihe zur der jeweiligen elektrischen Energiespeichereinheit geschaltet, während das zweite steuerbare Schalterelement parallel zu dieser Reihenschaltung geschaltet ist.
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Erfindungsgemäß wird die elektrische Energiespeicherungsvorrichtung durch ein Steuergerät so gesteuert, dass beim Einschalten des elektrischen Verbrauchers eine passende Anzahl der elektrischen Energiespeichereinheiten des mindestens einen elektrischen Energiespeichermoduls stufenweise zugeschaltet wird. Hierdurch wird eine Ausgangsspannung der elektrischen Energiespeicherungsvorrichtung in Stufen modelliert.
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Unter dem stufenweisen Zuschalten einer passenden Anzahl der elektrischen Energiespeichereinheiten wird verstanden, dass beim Einschalten des elektrischen Verbrauchers in einem ersten Schritt so viele der Energiespeichereinheiten zugeschaltet werden, dass eine Versorgungsspannung erreicht wird, die im Bereich von 25 % bis 75 % der Nennspannung des elektrischen Verbrauchers liegt und dass anschließend, nach dem Einschalten des elektrischen Verbrauchers, in einem zweiten Schritt die Versorgungsspannung stufenweise erhöht wird.
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Mit dem stufenweisen Zuschalten der elektrischen Energiespeichereinheiten wird eine an dem elektrischen Verbraucher angelegte Versorgungsspannung beim Einschalten stufenweise begrenzt. Somit wird der Einschaltstrom des elektrischen Verbrauchers in n-Stufen modelliert (n ist eine natürliche Zahl und abhängig von der angestrebten Ausgangsspannung bzw. der Anzahl der einzeln zuschaltbaren elektrischen Energiespeichereinheiten). Die kleinste Stufe einer Erhöhung der Versorgungsspannung ist dabei durch die Spannung einer einzeln zuschaltbaren elektrischen Energiespeichereinheit gegeben. Größere Stufen können durch das gleichzeitige Zuschalten von zwei oder mehr der elektrischen Energiespeichereinheiten erzielt werden. Beispielsweise wird mit jeder Stufe die Ausgangsspannung jeweils um 25 % der Nennspannung des elektrischen Verbrauchers erhöht, was bei insgesamt vier getrennt zuschaltbaren elektrischen Energiespeichereinheiten jeweils einer Erhöhung der Ausgangsspannung um die Spannung der einzelnen elektrischen Energiespeichereinheit entspricht.
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Für das stufenweise Zuschalten bilden jeweils eine elektrische Energiespeichereinheit, ein dieser zugeordnetes erstes steuerbares Schalterelement und ein dieser zugeordnetes zweites steuerbares Schalterelement eine Schalteinheit. Die elektrische Energiespeicherungsvorrichtung kann beispielsweise bei Hochvoltanwendungen 2 bis 100 Schalteinheiten, bevorzugt 20 bis 80 Schalteinheiten, umfassen. Bei Niedervoltanwendungen umfasst die Energiespeicherungsvorrichtung bevorzugt 2 bis 20 Schalteinheiten. Für eine Ausgangsspannung von 12 V werden beispielsweise 3 bis 4 Schalteinheiten verwendet und für eine Ausgangsspannung von 48 V werden beispielsweise 10 bis 14 Schalteinheiten verwendet. Die Anzahl der verwendeten Schalteinheiten ist abhängig von der Spannung der verwendeten Energiespeicherelemente und deren Verschaltung untereinander.
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Bei dem Verfahren wird entsprechend der durch das Zuschalten eingestellten Versorgungsspannung eine passende Stromstärke eingestellt, ohne eine nennenswerte Erwärmung durch Verlustleistung eines im Stand der Technik verwendeten Vorwiderstands zu erzeugen. Die Versorgungsspannung wird dann in geeigneten Schritten, nach dem Einschalten des elektrischen Verbrauchers erhöht. Als geeignete Schrittweite ist insbesondere die kleinstmögliche Schrittweite geeignet, welche durch die Spannung einer einzeln zuschaltbaren Schalteinheit bzw. Energiespeichereinheit gegeben ist.
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Eine Wartezeit zwischen zwei Stufen des Zuschaltens der elektrischen Energiespeichereinheiten beträgt bevorzugt einige Sekunden/Millisekunden. Besonders bevorzugt beträgt die Wartezeit im Bereich von 10 ms bis 1000 ms und ganz besonders bevorzugt im Bereich von 10 ms bis 100 ms. Handelt es sich bei dem elektrischen Verbraucher um einen Motor, der gestartet werden soll, beträgt die Wartezeit beispielsweise 20 ms.
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Vorzugsweise weisen die elektrischen Energiespeichereinheiten jeweils eine gleiche Ausgangsspannung auf. Alternativ ist es möglich, bei den Energiespeichereinheiten durch das Verwenden jeweils unterschiedlicher Typen von Energiespeicherelementen und/oder das Verwenden einer jeweils unterschiedlichen Anzahl von Energiespeicherelementen, verschiedene Ausgangsspannungen einzustellen. Hierdurch ist es möglich, die Ausgangsspannung der elektrischen Energiespeicherungsvorrichtung in verschieden großen Schritten zu modellieren.
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Unter dem steuerbaren Schalterelement ist ein Schalter zu verstehen, der durch ein Spannungs- oder Stromsignal gesteuert werden kann, wie z.B. ein Relais.
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Bevorzugt ist das steuerbare Schalterelement ein Halbleiterschalter, insbesondere ein Leistungshalbleiter. Ein Leistungshalbleiter ist ein Halbleiterbauelement, das in der Leistungselektronik für das Steuern und Schalten hoher elektrischer Ströme und Spannungen ausgelegt sind, wie z.B. IGBT (Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode, engl.: insulated-gate bipolar transistor) oder MOSFET (Metal-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttrangsistor, engl.: metal oxide semiconductor field-effect transistor). Weitere geeignete Schaltelemente sind Thyristoren und davon abgeleitete Bauelemente wie GTO (gate turn-off Thyristor), IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor) sowie SiC-Schalter.
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Besonders bevorzugt wird das steuerbare Schalterelement als MOSFET ausgebildet.
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In einer vorteilhalten Ausführungsform weist die elektrische Energiespeichereinheit mindestens ein elektrisches Energiespeicherelement auf.
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Im Falle, dass die elektrische Energiespeichereinheit mehrere elektrische Energiespeicherelemente umfasst, können die elektrischen Energiespeicherelemente in Reihe oder parallel oder gemischt mit beiden Schaltungsanordnungen verschaltet werden.
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Beispielsweise kann das elektrische Energiespeicherelement als eine Batteriezelle ausgebildet werden. Dabei kann eine Batterieeinheit aus einer einzigen Batteriezelle gebildet werden oder sie kann mehrere Batteriezellen umfassen. Mehrere so gebildete Batterieeinheiten werden dann zu einem Batteriemodul gepackt. Eine Batterie weist dabei mindestens ein Batteriemodul auf.
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Bevorzugt wird die Batteriezelle als eine Lithium-Ionen-Batteriezelle (LIB-Zelle) ausgebildet. Beispiele sind Lithium-Eisenphosphat (LFP) Batteriezellen, Lithiumtitanat (LTO) Batteriezellen und Lithium-Nickel-Mangan-Cobalt-Oxid (NMC) Batteriezellen. Alternativ können auch andere Batteriezelltypen eingesetzt werden wie Nickel-Metallhydrid (NiMH) Zellen oder Bleibatterien.
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Das elektrische Energiespeicherelement kann auch als eine Kondensatorzelle ausgebildet werden. Dabei kann eine Kondensatoreinheit aus einer einzigen Kondensatorzelle gebildet oder sie kann mehrere Kondensatorzellen umfassen. Mehrere so gebildete Kondensatoreinheiten werden dann zu einem Kondensatormodul gepackt. Ein Kondensator weist dabei mindestens ein Kondensatormodul auf.
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Bevorzugt wird der Kondensatorzelle als ein Superkondensatorzelle (SC-Zelle, engl.: Supercapacitor) ausgebildet.
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Ein Superkondensator (SC), der neben Lithium-Ionen-Batterien (LIB) eine immer größer werdende Rolle spielt, ist ein elektrochemischer Kondensator. Bereits auf dem Markt erhältliche Superkondensatoren werden sowohl für automobile Anwendungen als auch für stationäre Systeme verwendet. Elektrochemische Energiespeicher lassen sich anhand ihrer Energie- und Leistungsdichte charakterisieren. Generell weisen Superkondensatoren eine höhere Leistungsdichte und eine geringere Energiedichte als Lithium-Ionen-Batterien auf. Somit werden Lithium-Ionen-Batterien für energieintensive Anwendungen und Superkondensatoren für leistungsintensive Anwendungen bevorzugt.
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Generell unterteilen sich Superkondensatoren in „Electric Double Layer Capacitors“ (EDLC), „Pseudocapacitors“ und hybride Superkondensatoren (HSC). „Electric Double Layer Capacitors“ sowie „Pseudocapacitors“ weisen eine verhältnismäßig hohe Leistungsdichte, aber eine verhältnismäßig geringe Energiedichte auf. Hybride Superkondensatoren hingegen besitzen eine verhältnismäßig hohe Leistungsdichte und eine verhältnismäßig hohe Energiedichtedichte. Hybride Superkondensatoren weisen somit Eigenschaften von Lithium-Ionen-Batterien und von Superkondensatoren auf.
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Die verschiedenen Typen von Energiespeicherelementen, insbesondere die verschiedenen Batteriezelltypen, können unterschiedliche Spannungen aufweisen. Daher wird bevorzugt die Anzahl der Energiespeichereinheiten und/oder die Anzahl der darin enthaltenen elektrischen Energiespeicherelemente so gewählt, dass bei Zuschaltung aller Energiespeichereinheiten die gewünschte Ausgangsspannung der elektrischen Energiespeicherungsvorrichtung erreicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die elektrische Energiespeicherungsvorrichtung in ein Kraftfahrzeug eingebaut. Die elektrische Energiespeicherungsvorrichtung kann dabei als eine Starterbatterie, eine Traktionsbatterie oder eine Backup-Batterie dienen.
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Bei dem elektrischen Verbraucher kann es sich um einen Gleichstromverbraucher handeln. Es kann sich aber auch um einen einphasigen oder dreiphasigen Wechselstromverbraucher handeln. Der elektrische Verbraucher kann eine Elektronik zur Steuerung des elektrischen Verbrauchers aufweisen, wie z.B. DC/DC- oder DC/AC-Wandler usw.
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Vorteilhaft wird der elektrische Verbraucher auch in das Kraftfahrzeug eingebaut. Der elektrische Verbraucher wird bevorzugt als ein Elektromotor ausgebildet.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform dient der Elektromotor als ein Anlasser oder Starter eines Kraftfahrzeugs mit Verbrennungsmotor.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform dient der Elektromotor als ein Traktionsmotor eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs.
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Die elektrische Energiespeicherungsvorrichtung und der elektrische Verbraucher können ferner auch Teil einer stationären Anlage sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann in allen elektrisch angetriebenen Beförderungs- und Transportsystem zu Wasser, zu Land und in der Luft und ebenso in stationären Anwendungen ausgeführt werden, welche mindestens einen elektrischen Verbraucher und mindestens eine elektrische Energiespeicherungsvorrichtung umfassen, die zur Stromversorgung des mindestens einen elektrischen Verbrauchers dient und mehrere elektrische Energiespeichereinheiten aufweist.
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Es wird ferner eine elektrische Energiespeicherungsvorrichtung zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers vorgeschlagen. Dabei umfasst die elektrische Energiespeicherungsvorrichtung ein Steuergerät und mindestens ein elektrisches Energiespeichermodul, welches mehrere in Reihe zueinander geschaltete elektrische Energiespeichereinheiten aufweist, wobei die mehreren in Reihe zueinander geschalteten elektrischen Energiespeichereinheiten jeweils mit einem ersten und einem zweiten steuerbaren Schalterelement versehen sind und wobei das erste steuerbare Schalterelement in Reihe zu der jeweiligen elektrischen Energiespeichereinheit geschaltet ist und wobei das zweite steuerbare Schalterelement parallel zu dieser Reihenschaltung geschaltet ist. Die elektrische Energiespeicherungsvorrichtung ist dabei eingerichtet, um das erfindungsgemäßen Verfahren durchzuführen.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die elektrische Energiespeicherungsvorrichtung durch das Steuergerät so gesteuert, dass beim Einschalten des elektrischen Verbrauchers eine passende Anzahl der elektrischen Energiespeichereinheiten des mindestens einen elektrischen Energiespeichermoduls stufenweise zugeschaltet wird.
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Vorteile der Erfindung
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicherungsvorrichtung wird ein Einschaltstrom eines elektrischen Verbrauchers beim Einschalten des elektrischen Verbrauchers in mehreren kleinen Stufen reguliert. Dadurch kann die Belastung des Hauptschalters deutlich reduziert werden.
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Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren in einem Kraftfahrzeug durchgeführt werden, wobei das Kraftfahrzeug mindestens eine erfindungsgemäße elektrische Energiespeicherungsvorrichtung und mindestens einen elektrische Verbraucher umfasst, der als ein Elektromotor ausgebildet ist. Dadurch wird ein Anlaufmoment des Elektromotors beim Einschalten reduziert und somit wird eine Reduzierung eines Verschleißes des Getriebes erreicht.
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Im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, welche mittels Vorwiderständen einen Einschaltstrom eines elektrischen Verbrauchers begrenzen, kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen elektrischen Energiespeicherungsvorrichtung eine hohe Verlustleistung an den Vorwiderständen vermieden werden. Folglich entfällt die große Abwärme, welche durch die Vorwiderstände erzeugt wird, und welche zu einer thermischen Belastung des Systems führen kann.
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Vorteilhafterweise wird im Vergleich zu bekannten Verfahren weniger elektrische Energie in Wärme umgesetzt, so dass Energie eingespart wird. Dies ermöglicht beispielsweise eine Vergrößerung der Reichweite eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs.
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Figurenliste
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Ausführungsformen der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer elektrischen Energiespeicherungsvorrichtung zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers,
- 2: eine schematische Darstellung einer elektrischen Energiespeicherungsvorrichtung mit zwei parallel zueinander geschalteten elektrischen Energiespeichermodulen,
- 3a: eine schematische Darstellung einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 3b: eine schematische Darstellung einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß einer zweiten Ausführungsform und
- 3c: eine schematische Darstellung einer elektrischen Energiespeichereinheit gemäß einer dritten Ausführungsform.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung werden gleiche oder ähnliche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente in Einzelfällen verzichtet wird. Die Figuren stellen den Gegenstand der Erfindung nur schematisch dar.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Energiespeicherungsvorrichtung 20 zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers 10.
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Die elektrische Energiespeicherungsvorrichtung 20 weist dabei ein elektrisches Energiespeichermodul 30 auf, welches vier in Reihe geschaltete elektrische Energiespeichereinheiten 40 umfasst. Selbstverständlich ist es möglich, dass das elektrische Energiespeichermodul 30 eine geringere Anzahl oder eine wesentliche größere Anzahl an elektrischen Energiespeichereinheiten 40 aufweist.
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Die elektrische Energiespeicherungsvorrichtung 20 weist ferner zwei Anschlüsse 22 und 24 auf. Mittels der beiden Anschlüsse 22 und 24 ist die elektrische Energiespeicherungsvorrichtung 20 über einen Hauptschalter 70 mit dem elektrischen Verbraucher 10 elektrisch verbunden und dient zur Stromversorgung des elektrischen Verbrauchers 10.
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Die vier elektrischen Energiespeichereinheiten 40 sind jeweils mit einem ersten Schalterelement 51, 53, 55, 57 und einem zweiten Schalterelement 52, 54, 56, 58 versehen. Eine Energiespeichereinheit 40 bildet jeweils zusammen mit einem ersten Schalterelement 51, 53, 55, 57 und einem zweiten Schalterelement 52, 54, 56, 58 eine Schalteinheit, welche sich getrennt von den anderen Schalteinheiten zu- oder abschalten lässt.
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Vorzugsweise weisen die in 1 dargestellten vier elektrischen Energiespeicher 41 bis 44 jeweils eine gleiche Ausgangsspannung auf. Sie können aber auch jeweils eine unterschiedliche Ausgangsspannung aufweisen.
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Beim Einschalten des elektrischen Verbrauchers 10 werden vorliegend in einer ersten Stufe zwei elektrische Energiespeichereinheiten 41 und 42 des elektrischen Energiespeichermoduls 30 eingeschaltet. Wie in 1 dargestellt, sind der Hauptschalter 70, das erste Schalterelement 51 der ersten elektrischen Energiespeichereinheit 41, das erste Schalterelement 53 der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit 42, das zweite Schalterelement 56 der dritten elektrischen Energiespeichereinheit 43 und das zweite Schalterelement 58 der vierten elektrischen Energiespeichereinheit 44 eingeschaltet, während das zweite Schalterelement 52 der ersten elektrischen Energiespeichereinheit 41, das zweite Schalterelement 54 der zweiten elektrischen Energiespeichereinheit 42, das erste Schalterelement 55 der dritten elektrischen Energiespeichereinheit 43 und das erste Schalterelement 57 der vierten elektrischen Energiespeichereinheit 44 offen bleiben.
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Stufenweise werden die übrigen elektrischen Energiespeichereinheiten 43 und 44 nach dem Einschalten des elektrischen Verbrauchers 10 zugeschaltet, d.h. nach dem Einschalten des elektrischen Verbrauchers 10 wird in einer zweiten Stufe das erste Schalterelement 55 der dritten elektrischen Energiespeichereinheit 43 eingeschaltet, während das zweite Schalterelement 56 der dritten elektrischen Energiespeichereinheit 43 ausgeschaltet wird. Folgend wird in einer dritten Stufe das erste Schalterelement 57 der vierten elektrischen Energiespeichereinheit 44 eingeschaltet, während das zweite Schalterelement 58 des vierten elektrischen Energiespeichereinheit 44 ausgeschaltet wird.
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Mit dem stufenweisen Zuschalten der elektrischen Energiespeichereinheiten 41 bis 44 wird eine an dem elektrischen Verbraucher 10 angelegte Versorgungsspannung in einem Schaltvorgang stufenweise begrenzt. Somit wird der Einschaltstrom des elektrischen Verbrauchers 10 im vorliegenden Fall in drei Stufen modelliert. Hierbei wird entsprechend der eingestellten Versorgungsspannung eine passende Stromstärke eingestellt, ohne eine nennenswerte Erwärmung durch Verlustleistung eines im Stand der Technik verwendeten Vorwiderstands zu erzeugen.
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Die in 1 dargestellten elektrischen Energiespeichereinheiten 41 bis 44 können jeweils mindestens ein elektrisches Energiespeicherelement 60 (vgl. 3a bis 3c) umfassen. Dabei kann das mindestens eine elektrische Energiespeicherelement 60 als eine Batteriezelle, bevorzugt als eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, ausgebildet werden. Das mindestens eine elektrische Energiespeicherelement 60 kann auch als eine Kondensatorzelle, bevorzugt eine Superkondensatorzelle, ausgebildet werden.
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Vorzugsweise sind die in 1 dargestellten ersten und zweiten Schalterelemente 51 bis 58 Leistungshalbleiter. Besonders bevorzugt sind die Schalterelemente 51 bis 58 als MOSFET ausgebildet.
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Bei dem elektrischen Verbraucher 10 kann es sich um einen Gleichstromverbraucher handeln. Es kann sich aber auch um einen einphasigen oder dreiphasigen Wechselstromverbraucher handeln. Der elektrische Verbraucher kann eine Elektronik zur Steuerung des elektrischen Verbrauchers 10 aufweisen, wie z.B. DC/DC- oder DC/AC-Wandler usw.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weis die elektrische Energiespeicherungsvorrichtung 20 weiterhin ein Steuergerät 80 auf, welches mit den ersten und zweiten Schalterelementen 51 bis 58 verbunden. Dabei wird die elektrische Energiespeicherungsvorrichtung 20 durch das Steuergerät 80 so gesteuert, dass beim Einschalten des elektrischen Verbrauchers 10 eine passende Anzahl der elektrischen Energiespeichereinheiten 40, 41 bis 44 des elektrischen Energiespeichermoduls 30 stufenweise zugeschaltet wird.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Energiespeicherungsvorrichtung 20 mit zwei parallel zueinander geschalteten elektrischen Energiespeichermodulen 30.
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Dabei weist ein erstes elektrisches Energiespeichermodul 30a vier in Reihe geschaltete elektrische Energiespeichereinheiten 41a bis 44a und die der jeweiligen elektrischen Energiespeichereinheit 41a bis 44a zugeordneten ersten Schalterelemente 51a, 53a, 55a und 57a sowie zweiten Schalterelemente 52a, 54a, 56a und 58a auf. Ein zweites elektrisches Energiespeichermodul 30b weist dabei vier in Reihe geschaltete elektrische Energiespeichereinheiten 41b bis 44b und die der jeweiligen elektrischen Energiespeichereinheit 41b bis 44b zugeordneten ersten Schalterelemente 51b, 53b, 55b und 57b sowie zweiten Schalterelemente 52b, 54b, 56b und 58b auf.
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Analog zu dem mit Bezug zur 1 ausgeführten stufenweisen Zuschalten der elektrischen Energiespeichereinheiten 41 bis 44, werden die elektrischen Energiespeichereinheiten 41a bis 44a sowie 41b bis 44b auch stufenweise zugeschaltet.
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Die in 2 dargestellte elektrische Energiespeicherungsvorrichtung 20 wird bevorzugt so eingerichtet, dass die beiden elektrischen Energiespeichermodule 30 eine gleiche Ausgangsspannung aufweisen.
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Die in 2 dargestellten elektrischen Energiespeichereinheiten 41a bis 44a sowie 41b bis 44b können jeweils mindestens ein elektrisches Energiespeicherelement 60 (vgl. 3a bis 3c) umfassen. Dabei kann das mindestens eine elektrische Energiespeicherelement 60 als eine Batteriezelle, bevorzugt als eine Lithium-Ionen-Batteriezelle, ausgebildet werden. Das mindestens eine elektrische Energiespeicherelement 60 kann auch als eine Kondensatorzelle, bevorzugt eine Superkondensatorzelle, ausgebildet werden.
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Vorzugsweise sind die in 2 dargestellten ersten und zweiten Schalterelemente 51a bis 58a sowie 51b bis 58b Leistungshalbleiter. Besonders bevorzugt sind die Schalterelemente 51a bis 58a sowie 51b bis 58b als MOSFET ausgebildet.
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Die elektrische Energiespeicherungsvorrichtung 20 weist ferner zwei Anschlüsse 22 und 24 auf. Mittels der beiden Anschlüsse 22 und 24 wird die elektrische Energiespeicherungsvorrichtung 20 mit einem elektrischen Verbraucher 10 elektrisch verbunden.
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3a bis 3c zeigen jeweils eine schematische Darstellung einer elektrischen Energiespeichereinheit 40, welche in 1 dargestellt ist, gemäß einer ersten, einer zweiten und einer dritten Ausführungsform. Analog zu den in 3a bis 3c dargestellten elektrischen Energiespeichereinheiten 40 können die in 1 sowie 2 dargestellten elektrischen Energiespeichereinheiten 41 bis 44, 41a bis 44a sowie 41b bis 44b gleichartig dargestellt werden.
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Die in 3a bis 3c dargestellten elektrischen Energiespeichereinheiten 40 umfassen jeweils mehrere elektrische Energiespeicherelemente 60. In 3a sind die elektrischen Energiespeicherelemente 60 in Reihe zueinander geschaltet, während die elektrischen Energiespeicherelemente 60 in 3b parallel zueinander geschaltet sind. In 3c sind die elektrischen Energiespeicherelemente 60 gemischt verschaltet, wobei in dem dargestellten Beispiel jeweils drei elektrische Energiespeicherelemente 60 in Reihe zu einem Strang verschaltet sind und vier Stränge parallel geschaltet sind.
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Die in 3a bis 3c dargestellten elektrischen Energiespeicherelemente 60 können als Batteriezellen, bevorzugt als eine Lithium-Ionen-Batteriezellen, ausgebildet werden. Die elektrischen Energiespeicherelemente 60 können auch als Kondensatorzellen, bevorzugt Superkondensatorzellen, ausgebildet werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele und die darin hervorgehobenen Aspekte beschränkt. Vielmehr ist innerhalb des durch die Ansprüche angegebenen Bereichs eine Vielzahl von Abwandlungen möglich, die im Rahmen fachmännischen Handelns liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015008881 A1 [0004]
- DE 102014212263 A1 [0005]
- DE 102011085625 A1 [0006]
