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Die Erfindung betrifft eine Lageregelungsvorrichtung für einen Satelliten und ein Verfahren zum Betreiben einer Lageregelungsvorrichtung für einen Satelliten.
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Aufgrund der Weiterentwicklung im Bereich der Fernerkundungssensorik, insbesondere im Hinblick auf hochauflösendere und kleinere Erfassungsbereiche, sehen aktuelle Missionsszenarien ein Erfassen von mehreren Aufnahmen innerhalb eines einzigen Überflugs eines Satelliten über ein Gebiet vor. Hierbei sind insbesondere eine Verbreiterung des Schwads und/oder ein Erfassen von mehreren Zielen geplant. Daraus ergeben sich Anforderungen, dass Satelliten z.B. innerhalb von 10 Sekunden um bis zu 30 Grad gedreht werden müssen.
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Für solche agilen Lageänderungsmanöver (Drehraten von >1 Grad pro Sekunde) werden Drehmomente benötigt, die größer sind als die Drehmomente, die zum Beispiel für den Ausgleich einer Orbit-Drehrate (z.B. eine permanente Nadir-Orientierung des Satelliten), für den Ausgleich der Bahnbewegung der Erde um die Sonne oder für Drehungen zwischen verschiedenen Hauptorientierungen (z.B. um Solarzellen des Satelliten wieder in Richtung der Sonne auszurichten), notwendig sind. Für diese normalen Lageänderungsmanöver mit Drehraten von <1 Grad pro Sekunde werden typischerweise Reaktionsräder, Triebwerke oder Magnettorquer verwendet.
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Zum Ausführen der vorgenannten agilen Lageänderungsmanöver sind Hochleistungsdrehmomenträder (engl. High Torque Wheels) bekannt. Diese werden zum Aufbringen eines Drehmomentes aus einem Bordnetz des Satelliten mit elektrischer Energie versorgt. Beim Abbremsen wird die kinetische Energie des Hochleistungsdrehmomentrades über einen Bremswiderstand in Wärmeenergie umgewandelt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Lageregelungsvorrichtung für einen Satelliten und ein Verfahren zum Betreiben einer Lageregelungsvorrichtung für einen Satelliten zu verbessern.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Lageregelungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Insbesondere wird eine Lageregelungsvorrichtung für einen Satelliten geschaffen, umfassend mindestens ein Hochleistungsdrehmomentrad zum Beaufschlagen des Satelliten mit einem Drehmoment während eines Lageregelungsmanövers, und mindestens einen Superkondensator, wobei der mindestens eine Superkondensator derart ausgebildet ist und derart mit dem mindestens einen Hochleistungsdrehmomentrad elektrisch verbunden ist, dass eine durch generativen Betrieb beim Abbremsen des mindestens einen Hochleistungsdrehmomentrades in elektrische Energie umgewandelte kinetische Energie in dem mindestens einen Superkondensator zumindest teilweise gespeichert werden kann.
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Ferner wird insbesondere ein Verfahren zum Betreiben einer Lageregelungsvorrichtung für einen Satelliten zur Verfügung gestellt, wobei die Lageregelungsvorrichtung mindestens ein Hochleistungsdrehmomentrad zum Beaufschlagen des Satelliten mit einem Drehmoment während eines Lageregelungsmanövers und mindestens einen Superkondensator umfasst, wobei eine durch generativen Betrieb beim Abbremsen des mindestens einen Hochleistungsdrehmomentrades in elektrische Energie umgewandelte kinetische Energie zumindest teilweise in dem mindestens einen Superkondensator gespeichert wird.
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Die Lageregelungsvorrichtung und das Verfahren ermöglichen es, zumindest einen Teil der in dem mindestens einen Hochleistungsdrehmomentrad gespeicherten kinetischen Energie zurückzugewinnen. Hierdurch kann zum einen ein Gesamtenergieverbrauch im Satelliten reduziert werden, da die zurückgewonnene und in dem mindestens einen Superkondensator gespeicherte elektrische Energie weiterverwendet werden kann. Zum anderen kann auch ein thermischer Energieeintrag verringert werden, da die kinetische Energie nicht in „Joulsche Wärme“ umgesetzt wird, wie dies beim bisher verwendeten Bremswiderstand erfolgt. Dies ist insbesondere von Vorteil, weil das mindestens eine Hochleistungsdrehmomentrad üblicherweise nicht fortlaufend betrieben wird, sondern stets nur, wenn ein agiles Lageänderungsmanöver ausgeführt werden soll. Wird kein agiles Lageänderungsmanöver ausgeführt, so ruht das mindestens eine Hochleistungsdrehmomentrad und erzeugt kein Drehmoment.
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Die Lageregelungsvorrichtung weist insbesondere auch eine Steuereinrichtung auf, die die Energierückgewinnung steuert bzw. regelt.
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Insbesondere weist die Lageregelungsvorrichtung eine Mehrzahl von Hochleistungsdrehmomenträdern auf. Insbesondere weist die Lageregelungsvorrichtung drei, bevorzugt vier, der Hochleistungsdrehmomenträder auf. Diese sind in Bezug auf eine jeweilige Drehachse insbesondere derart orientiert bzw. angeordnet, dass ein Drehmomentvektor in einer beliebigen Orientierung erzeugt werden kann. Es ist dann möglich, den Satelliten im Rahmen eines agilen Lageänderungsmanövers in eine beliebige Richtung zu drehen bzw. zu schwenken. Sind vier Hochleistungsdrehmomenträder vorhanden, so können diese in einer Tetraederanordnung angeordnet sein. Hierdurch lässt sich eine Redundanz erzeugen, da auch bei einem Ausfall eines der Hochleistungsdrehmomenträder stets noch ein Drehmoment in jeder beliebigen Orientierung erzeugt werden kann.
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Ein Hochleistungsdrehmomentrad (engl. High Torque Wheel) umfasst insbesondere einen Elektromotor zum Erzeugen eines Drehmoments. Ferner umfasst das Hochleistungsdrehmomentrad insbesondere ein Schwungrad, das mechanisch mit einer Achse des Elektromotors verbunden ist und das der Elektromotor zum Erzeugen eines Drehmoments in Rotation versetzen oder abbremsen kann. Ein Hochleistungsdrehmomentrad kann insbesondere ein Drehmoment von mindestens 0,09 Newtonmeter pro Kilogramm Eigenmasse, bevorzugt von mindestens 0,45 Newtonmeter pro Kilogramm Eigenmasse erzeugen.
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Ein Superkondensator (engl. Supercapacitor oder Supercap), auch als Ultrakondensator bezeichnet, kann verschieden ausgebildet sein, beispielsweise als Doppelschichtkondensator, Pseudokondensator oder Hybridkondensator. Insbesondere weist ein Superkondensator eine sehr große Leistungsdichte auf und kann daher schnell be- und entladen werden. Ein Superkondensator kann beispielsweise gewickelt oder gestapelt sein. Ein Superkondensator im Sinne dieser Offenbarung kann auch mehrere miteinander (insbesondere parallel) verschaltete Superkondensatoren umfassen. Die Superkondensatoren können beispielsweise auch als Pouch-Superkondensatorzellen ausgebildet sein oder diese umfassen. Die Kapazitäten einzelner Superkondensatoren betragen insbesondere einige 10 F.
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Ein Lageregelungsmanöver ist insbesondere ein agiles Lageänderungsmanöver. Ein solches agiles Lageänderungsmanöver zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass eine Lage bzw. Orientierung des Satelliten hierdurch in kurzer Zeit (Drehraten von >1 Grad pro Sekunde) geändert werden kann, wobei das mindestens eine Hochleistungsdrehmomentrad insbesondere nur während des agilen Lageänderungsmanövers betrieben wird. Ansonsten sind ein Drehmoment und eine Drehrate des mindestens einen Hochleistungsdrehmomentrades Null.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der mindestens eine Superkondensator derart mit dem mindestens einen Hochleistungsdrehmomentrad elektrisch verbunden ist, dass das Hochleistungsdrehmomentrad zumindest teilweise und/oder zumindest zeitweise mittels einer in dem mindestens einen Superkondensator gespeicherten Energie angetrieben werden kann. Hierdurch kann eine vorher zurückgewonnene und in dem mindestens einen Superkondensator gespeicherte Energie wieder für eine Beschleunigung des mindestens einen Hochleistungsdrehmomentrades verwendet werden. Insbesondere kann hierdurch eine wiederholte Energierückgewinnung realisiert werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine elektrische Verschaltung der Lageregelungsvorrichtung derart ausgebildet ist, dass das Antreiben des mindestens einen Hochleistungsdrehmomentrades ausschließlich mittels einer in dem mindestens einen Superkondensator gespeicherten elektrischen Energie erfolgt. Insbesondere kann hierdurch auch ein erstes Antreiben bzw. Beschleunigen des mindestens einen Hochleistungsdrehmomentrades mittels elektrischer Energie erfolgen, die in dem mindestens einen Superkondensator gespeichert ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Superkondensator über ein Bordnetz des Satelliten vorgeladen wird. Soll dann ein agiles Lageänderungsmanöver durchgeführt werden, so wird die zum Antreiben bzw. Beschleunigen des mindestens einen Hochleistungsdrehmomentrades benötigte Energie mittels des mindestens einen Superkondensators bereitgestellt. Hierdurch können Leistungsspitzen in einem Bordnetz des Satelliten vermieden werden, sodass das Bordnetz gleichmäßiger ausgelastet ist. Wird das mindestens eine Hochleistungsdrehmomentrad wieder abgebremst, so wird die kinetische Energie durch generativen Betrieb zurückgewonnen und in dem mindestens einen Superkondensator gespeichert. Dies kann wiederholt erfolgen.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Lageregelungsvorrichtung mindestens einen Laderegler aufweist, wobei der mindestens eine Laderegler derart ausgebildet ist, den mindestens einen Superkondensator gemäß mindestens einer Ladevorgabe zu laden. Eine solche Ladevorgabe kann nach dem Starten der Ladevorrichtung beispielsweise ein Laden bis zu einer vorgegebenen Lademenge umfassen. Insbesondere kann hierdurch sichergestellt werden, dass jederzeit genug Energie in dem mindestens einen Superkondensator vorgehalten wird, um das mindestens eine Hochleistungsdrehmomentrad aus einem Stillstand heraus wieder (maximal) zu beschleunigen.
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In einer weiterbildenden Ausführungsform ist vorgesehen, dass die mindestens eine Ladevorgabe eine Verlustkompensation umfasst. Hierdurch können energetische Gesamtverluste, hervorgerufen durch mechanische Widerstände am mindestens einen Hochleistungsdrehmomentrad und/oder elektrische Verluste, kompensiert werden. Dies kann insbesondere auch vorausschauend unter Berücksichtigung geplanter zukünftiger Lageregelungsmanöver erfolgen.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der mindestens eine Superkondensator zusätzlich eine mechanische Funktion erfüllt. Hierdurch kann der mindestens eine Superkondensator gleichzeitig zwei Funktionen bereitstellen: in Form einer Energiespeicherung und als mechanisches Tragelement. Dies hat den Vorteil, dass sowohl ein Gesamtvolumen als auch eine Gesamtmasse der Lageregelungsvorrichtung verringert werden kann, sodass in der Folge auch ein Gesamtvolumen und eine Gesamtmasse des Satelliten reduziert werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass der mindestens eine Superkondensator mechanisch derart mit anderen (mechanischen) Elementen der Lageregelungsvorrichtung verbunden ist bzw. verbunden wird, dass über den mindestens einen Superkondensator Kräfte übertragen werden können und/oder eine mechanische Stabilität erhöht werden kann.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der mindestens eine Superkondensator integraler Teil einer mechanischen Stützstruktur ist. Beispielsweise kann der mindestens eine Superkondensator zur mechanischen Verbindung von Trägerplatten und/oder Trägerelementen verwendet werden oder selbst einen Teil einer Trägerplatte und/oder eines solchen Trägerelementes bilden. Beispielsweise kann der mindestens eine Superkondensator als Teil eines Chassis oder eines Tragrahmens verwendet werden.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der mindestens eine Superkondensator zumindest einen integralen Teil eines Gehäuses und/oder einer Verschalung ausbildet. Beispielsweise kann der mindestens eine Superkondensator Teil eines äußeren Schutzgehäuses sein, das weitere Einrichtungen der Lageregelungsvorrichtung, insbesondere das mindestens eine Hochleistungsdrehmomentrad und eine Steuereinrichtung, umfasst. Ist der mindestens eine Superkondensator folienartig oder auf andere Weise flexibel ausgebildet, so können insbesondere auch gekrümmte Gehäuseteile bzw. Verschalungen ausgebildet werden, sodass sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten eröffnen und der mindestens eine Superkondensator flexibel in eine mechanische Trägerstruktur und/oder in ein Gehäuse integriert werden kann. Hierbei kann der mindestens eine Superkondensator mit weiteren Stabilität verleihenden Elementen verbunden werden, beispielsweise indem ein (Schicht-)Verbund mit einem Faserverbundwerkstoff ausgebildet wird oder ausgebildet wird.
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In einer Ausführungsform ist vorgesehen, das die Lageregelungsvorrichtung eine Mehrzahl von Superkondensatoren aufweist, wobei die Lageregelungsvorrichtung ferner eine Balancerschaltung aufweist, wobei die Balancerschaltung derart ausgebildet ist, eine elektrische Ladungsverteilung in der Mehrzahl der Superkondensatoren gleichmäßig auszugestalten. Hierdurch kann eine Beschädigung der Superkondensatoren verhindert werden, da eine Überladung verhindert wird. Balancerschaltungen sind beispielsweise aus mehrzelligen Batteriemodulen bekannt.
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Weitere Merkmale zur Ausgestaltung des Verfahrens ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen der Lageregelungsvorrichtung. Die Vorteile des Verfahrens sind hierbei jeweils die gleichen wie bei den Ausgestaltungen der Lageregelungsvorrichtung.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Lageregelungsvorrichtung für einen Satelliten;
- 2 eine schematische Darstellung eines Stromfluss- bzw. Energieflussdiagramms in einer Ausführungsform der Lageregelungsvorrichtung;
- 3 eine schematische Darstellung von Messdaten während Beschleunigungs- und Abbremszyklen eines Hochleistungsdrehmomentrades zur Verdeutlichung der Erfindung;
- 4a - 4c schematische Darstellungen zur Verdeutlichung von Ausführungsformen der Lageregelungsvorrichtung.
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In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Lageregelungsvorrichtung 1 für einen Satelliten gezeigt. Die Lageregelungsvorrichtung 1 umfasst ein Hochleistungsdrehmomentrad 2 und einen Superkondensator 3. Ferner weist die Lageregelungsvorrichtung 1 eine Steuereinrichtung 4 auf, die einen Betrieb des Hochleistungsdrehmomentrades 2 und ein Laden des Superkondensators 3 steuert bzw. regelt.
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Zum Beaufschlagen des Satelliten mit einem während eines agilen Lageänderungsmanövers benötigten Drehmoment erzeugt das Hochleistungsdrehmomentrad 2 ein entsprechendes Drehmoment. Hierzu wird einem Elektromotor des Hochleistungsdrehmomentrads 2 elektrische Energie, beispielsweise von einem Bordnetz des Satelliten, zugeführt.
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Der Superkondensator 3 ist derart ausgebildet und derart mit dem mindestens einen Hochleistungsdrehmomentrad 2 elektrisch verbunden, dass eine durch generativen Betrieb beim Abbremsen des mindestens einen Hochleistungsdrehmomentrades 2 in elektrische Energie umgewandelte kinetische Energie in dem Superkondensator 3 zumindest teilweise gespeichert werden kann. Hierdurch kann eine kinetische Energie, die in dem Hochleistungsdrehmomentrad 2 gespeichert ist, zurückgewonnen werden und erneut genutzt werden.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Lageregelungsvorrichtung 1 nur ein Hochleistungsdrehmomentrad 2. Es kann jedoch vorgesehen sein, dass mindestens drei, bevorzugt vier Hochleistungsdrehmomenträder 2, vorgesehen sind, sodass für ein agiles Lageänderungsmanöver ein Drehmoment mit einer beliebigen Orientierung erzeugt werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Superkondensator 3 derart mit dem Hochleistungsdrehmomentrad 2 elektrisch verbunden ist, dass das Hochleistungsdrehmomentrad 2 zumindest teilweise und/oder zumindest zeitweise mittels einer in dem Superkondensator 3 gespeicherten Energie angetrieben werden kann. Das Hochleistungsdrehmomentrad 2 wird dann mittels der in dem Superkondensator 3 gespeicherten elektrischen Energie beschleunigt.
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Es kann ferner vorgesehen sein, dass eine elektrische Verschaltung der Lageregelungsvorrichtung 1 derart ausgebildet ist, dass das Antreiben des Hochleistungsdrehmomentrades 2 ausschließlich mittels einer in dem Superkondensator 3 gespeicherten elektrischen Energie erfolgt. Das Hochleistungsdrehmomentrad 2 wird dann nicht mehr über das Bordnetz des Satelliten oder anderer Energiequellen angetrieben, insbesondere beschleunigt, sondern ausschließlich über eine in dem Superkondensator 3 gespeicherte elektrische Energie.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Lageregelungsvorrichtung 1 einen Laderegler 5 umfasst, wobei der Laderegler 5 derart ausgebildet ist, den mindestens einen Superkondensator 3 gemäß mindestens einer Ladevorgabe zu laden. Insbesondere ist hierbei vorgesehen, dass die mindestens eine Ladevorgabe eine Verlustkompensation umfasst. Hierdurch wird bei einer wiederholten Energierückgewinnung dafür gesorgt, dass der Superkondensator 3 nach dem Abschluss des Ladens durch Rückgewinnung und Umwandlung der kinetischen Energie des Hochleistungsdrehmomentrades 2 aus dem Bordnetz des Satelliten nachgeladen wird, sodass dieser wieder einen vorgegeben Ladezustand aufweist. Diese Verlustkompensation ermöglicht es, dass das Hochleistungsdrehmomentrad 2 anschließend im Rahmen eines agilen Lageänderungsmanövers wieder auf ein maximales Drehmoment beschleunigt werden kann.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Superkondensator 3 zusätzlich eine mechanische Funktion erfüllt.
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Weiterbildend kann vorgesehen sein, dass der Superkondensator 3 integraler Teil einer mechanischen Stützstruktur ist.
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In einer weiteren Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass der Superkondensator 3 zumindest einen integralen Teil eines Gehäuses und/oder einer Verschalung ausbildet.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Lageregelungsvorrichtung 1 eine Mehrzahl von Superkondensatoren 2 umfasst, wobei die Lageregelungsvorrichtung 1 ferner eine Balancerschaltung 6 aufweist, wobei die Balancerschaltung 6 derart ausgebildet ist, eine elektrische Ladungsverteilung in der Mehrzahl der Superkondensatoren 3 gleichmäßig auszugestalten.
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In 2 ist zur Verdeutlichung eine schematische Darstellung eines Stromfluss- bzw. Energieflussdiagramms in der in dieser Offenbarung beschriebenen Lageregelungsvorrichtung gezeigt. Beispielhaft sind ein Hochleistungsdrehmomentrad 2 und ein Superkondensator 3 gezeigt. Das Stromfluss- bzw. Energieflussdiagramm gilt jedoch in analoger Weise auch für weitere Hochleistungsdrehmomenträder und weitere Superkondensatoren. Eine typische Konfiguration umfasst beispielsweise eine Bank aus Superkondensatoren 3, wobei eine Kapazität beispielsweise 12 x 60 F beträgt.
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Anfangs wird das Hochleistungsdrehmomentrad 2 nicht betrieben und ruht (Drehmoment und Drehzahl gleich Null). Bei einer ersten Inbetriebnahme wird der Superkondensator 3 über einen Gleichspannungswandler 11 (DC/DC-Wandler) über ein Bordnetz 10 des Satelliten vollständig geladen. Dieser Ladezustand wird mittels eines Ladereglers (nicht gezeigt) fortlaufend überprüft und gegebenenfalls durch Nachladen aufrechterhalten.
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Zum Ausführen eines agilen Lageänderungsmanövers wird die in dem Superkondensator 3 gespeicherte elektrische Energie über einen weiteren Gleichspannungswandler 12 einem Elektromotor des Hochleistungsdrehmomentrads 2 zugeführt. Hierdurch wird das Hochleistungsdrehmomentrad 2 beschleunigt, sodass ein Drehmoment erzeugt wird. Beim Beenden des agilen Lageänderungsmanövers wird das Hochleistungsdrehmomentrad 2 wieder abgebremst. Hierzu wird in einen generatorischen Betrieb des Elektromotors des Hochleistungsdrehmomentrads 2 geschaltet und eine hierdurch erzeugte elektrische Leistung wird über einen weiteren Gleichspannungswandler 13 zum Laden des Superkondensators 3 verwendet. Da eine Energiemenge hierbei maximal so groß ist, wie beim Beschleunigen des Hochleistungsdrehmomentrads 2, ist in dem Superkondensator 3 hierfür ausreichend freie Kapazität zum Aufnehmen der zurückgewonnenen Energie vorhanden.
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Weist die Lageregelungsvorrichtung mehrere, insbesondere drei oder vier, Hochleistungsdrehmomenträder 2 auf, so sind mehrere Superkondensatoren 2 vorgesehen, die insbesondere parallelgeschaltet sind. Bei der Verwendung von mehreren Superkondensatoren 2 ist insbesondere vorgesehen, dass die Lageregelungsvorrichtung ferner eine Balancerschaltung (nicht gezeigt) aufweist, wobei die Balancerschaltung derart ausgebildet ist, eine elektrische Ladungsverteilung in der Mehrzahl der Superkondensatoren 2 gleichmäßig auszugestalten.
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In 3 ist eine schematische Darstellung von Messkurven 20, 21, 22, 23 während Beschleunigungs- und Abbremszyklen eines Hochleistungsdrehmomentrades zur Verdeutlichung der Erfindung gezeigt. Eine Messkurve 20 zeigt eine Eingangsspannung an einem Hochleistungsdrehmomentrad, eine Messkurve 21 eine Spannung an einer Bank aus Superkondensatoren, eine Messkurve 22 eine Ausgangsspannung des Hochleistungsdrehmomentrades und eine Messkurve 23 einen Rückgewinnungsstrom. Die Messkurven 20, 21, 22, 23 sind im Zeitverlauf (x-Achse) über mehrere Energierückgewinnungszyklen dargestellt, wobei ein Kästchen auf der x-Achse einem Zeitraum von 10 Sekunden entspricht. Zu einem Zeitpunkt t1 wird das Hochleistungsdrehmomentrad mit Hilfe von elektrischer Energie, die in den Superkondensatoren gespeichert ist, beschleunigt. Die Messkurve 21 für die Spannung der Superkondensatoren fällt daher ab, da diese entladen werden. Zu einem Zeitpunkt t2 wird das Hochleistungsdrehmomentrad abgebremst und eine kinetische Energie wird über einen generativen Betrieb zurückgewonnen und in elektrische Energie umgewandelt, daher sinkt ein Wert der Ausgangsspannung (Messkurve 22) des Hochleistungsdrehmomentrades, wobei gleichzeitig ein Rückgewinnungsstrom (Messkurve 23) und eine Spannung an den Superkondensatoren (Messkurve 21) ansteigen. Zum Zeitpunkt t3 ist die Energierückgewinnung abgeschlossen. Zum Zeitpunkt t4 beginnt der Zyklus von neuem.
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Die in dieser Offenbarung beschriebene Lageregelungsvorrichtung ist in der Lage, zumindest einen Teil der kinetischen Energie des Hochleistungsdrehmomentrades zurückzugewinnen. Dies erkennt man dadurch, dass die Spannung der Superkondensatoren (Messkurve 21) nach jedem Beschleunigungs- und Abbremsvorgang (0 bis 3000 rpm) wieder die gleichen Werte erreicht.
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In den 4a bis 4c sind schematische Darstellungen jeweils von Teilen von Ausführungsformen der Lageregelungsvorrichtung gezeigt. Bei den Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der mindestens eine Superkondensator 2 zusätzlich eine mechanische Funktion erfüllt. Das mindestens eine Hochleistungsdrehmomentrad ist in den Darstellungen nicht gezeigt.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass der mindestens eine Superkondensator 2 integraler Teil einer mechanischen Stützstruktur 15 ist. Die mechanische Stützstruktur 15 trägt beispielsweise elektronische Komponenten 30 einer Steuereinrichtung der Lageregel u ngsvorrichtung.
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Bei dem in der 4a gezeigten Beispiel sind mehrere Superkondensatoren 3 an einem unteren Ende in eine untere Aufnahmeplatte 16 und an einem oberen Ende in eine obere Aufnahmeplatte 17 integriert. Hierzu sind in den Aufnahmeplatten 16, 17 kreisrunde Aussparungen ausgebildet, die jeweils ein oberes und ein unteres Ende der Superkondensatoren 3 aufnehmen können. Eine vertikale mechanische Verbindung wird zwischen der unteren Aufnahmeplatte 16 und der unteren Aufnahmeplatte 17 überwiegend mittels der Superkondensatoren 3 ausgebildet.
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Bei dem in der 4b gezeigten Beispiel sind mehrere Superkondensatoren 3 in eine untere Aufnahmeplatte 16 integriert. Die Superkondensatoren 3 sind hierbei integraler Teil der unteren Aufnahmeplatte 16. Im gezeigten Beispiel sind 14 Superkondensatoren 3 mit jeweils 90 F bei 2 V in die untere Bodenplatte 16 integriert. Es kann hierbei vorgesehen sein, dass Faserverbundwerkstoffe verwendet werden, in die die Superkondensatoren 3 integriert werden.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass der mindestens eine Superkondensator 3 zumindest einen integralen Teil eines Gehäuses 18 und/oder einer Verschalung 19 ausbildet. Dies ist schematisch in der 4c gezeigt. Die Superkondensatoren 3 sind hierbei Teil einer Außenwand 31, die beispielsweise einen Faserverbundwerkstoff umfasst, in den die Superkondensatoren 3 integriert sind. Die Superkondensatoren 3 tragen dann zur mechanischen Stabilität des Gehäuses 18 bzw. der Verschalung 19 bei.
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Eine Verwendung von folienartigen Superkondensatoren ermöglicht es insbesondere, auch gekrümmte Formen und Gehäuseteile bzw. Verschalungsteile auszubilden. Bei einer Integration der Superkondensatoren 3 in das Gehäuse 18 bzw. die Verschalung 19 können daher nahezu beliebige Formen ausgebildet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lageregelungsvorrichtung
- 2
- Hochleistungsdrehmomentrad
- 3
- Superkondensator
- 4
- Steuereinrichtung
- 5
- Laderegler
- 6
- Balancerschaltung
- 10
- Bordnetz
- 11
- Gleichspannungswandler
- 12
- weiterer Gleichspannungswandler
- 13
- weiterer Gleichspannungswandler
- 15
- Stützstruktur
- 16
- untere Aufnahmeplatte
- 17
- obere Aufnahmeplatte
- 18
- Gehäuse
- 19
- Verschalung
- 20
- Messkurve (Eingangsspannung Hochleistungsdrehmomentrad)
- 21
- Messkurve (Spannung am Superkondensator)
- 22
- Messkurve (Ausgangsspannung Hochleistungsdrehmomentrad)
- 23
- Messkurve (Rückgewinnungsstrom)
- 30
- elektronische Komponenten
- 31
- Außenwand
- t1-t4
- Zeitpunkte
