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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsvorrichtung zur Versorgung eines Verbrauchers aus wenigstens zwei über eine Energiequelle aufladbaren Pufferspeichern.
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Zur Versorgung elektrischer Verbraucher ist es an sich bekannt, unterschiedliche Energiequellen zu verwenden. Dazu gehören neben regenerativen Energiequellen auch Energiespeicher, welche beispielsweise von regenerativen Energiequellen versorgt werden können. Neben den ökologischen Vorteilen ist dies oftmals auch aus ökonomischen Gründen geboten, da die Bereitstellung von einer Netzversorgung hohe Investitionen in Infrastruktur bedarf, so dass bei temporären oder sehr abgelegenen Verbrauchsstellen derartige Investitionen nicht sinnvoll wären. Da regenerative Energiequellen aus Solarstrom oder Windkraft nicht kontinuierlich verfügbar sind, werden Pufferspeicher benötigt, um in Zeiten ohne Sonneneinstrahlung bzw. bei Windflaute Strom für die Verbraucher bereitstellen zu können. Neben Bleiakkumulatoren können dabei auch andere Batterietypen, wie z. B. Lithium-Ionen-Zellen zum Einsatz kommen. Um elektrische Verbraucher mit unterschiedlichen Eingangsspannungen versorgen zu können, müssen entsprechende Wandlerschaltungen bereitgestellt werden, so dass eine Versorgung mit elektrischer Energie für unterschiedliche Verbraucher möglich wird. Derartige Wandlerschaltungen sind als sogenannte Stromrichter sowohl als Gleichspannungswandler als auch als Wechselrichter bekannt. Zwar können Stromrichter einen sehr hohen Wirkungsgrad erreichen, ihr Einsatz ist jedoch mit zusätzlichen Investitionen verbunden.
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Ein Beispiel für einen Wechselrichter ist aus der
EP 0 085 430 A2 bekannt. Bei dem Wechselrichter zur Umformung einer Gleichspannung in eine Wechselspannung, mit einer Anzahl von n zwischen zwei Ausgängen hintereinander geschalteten Schaltungseinheiten, von denen jede eine Reihenschaltung aus einer Gleichspannungsquelle und einem einen Schaltanschluss aufweisenden Schalter und einen zur Reihenschaltung parallel liegendes unidirektional leitendes Schaltkreiselement umfasst, und mit einer die Schaltanschlüsse der Schalter ansteuernden Steuereinheit ist zur Minimalisierung des Schaltungsaufwands vorgesehen, dass die Spannungswerte der Gleichspannungsquellen die Werte von vielen Produkten aus Zweierpotenzen sind und dass die Steuereinheit ein Analog-Digital-Wandler mit einem Analogeingang und Digitalausgängen ist, dessen Analogeingang eine Musterwechselspannung erhält und von dessen Digitalausgängen der Zweierpotenzen-Ausgang mit dem Schaltanschluss des Schalters der die Spannungsquelle mit dem Spannungswert enthaltenden Schaltungseinheit verbunden ist.
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Die
KR 10 1 412 352 B1 betrifft einen DC/DC-Konverter zur Vereinfachung einer Schaltungskonfiguration, zur Erhöhung der Eingangsspannung durch Konfiguration des Schaltvorgangs eines Schaltelements, das von einem Nullstrom-Steuerungssystem ausgeführt wird, und zur Einstellung eines gewünschten Verstärkungsverhältnisses durch Verbindung von mindestens zwei einzelnen DC/DC-Konvertern. Der DC/DC-Konverter kann den Verlust durch eine einfache Struktur und eine einfache Schaltsteuerung minimieren und die Gleichspannung mit dem gewünschten Verstärkungsverhältnis erhöhen.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik haben sich die Erfinderin bzw. der Erfinder nun die Aufgabe gestellt, eine Schaltungsvorrichtung zur Versorgung eines Verbrauchers aus einem über eine regenerative Energiequelle aufladbarem Pufferspeicher zu schaffen, der bei unterschiedlichen Eingangs- und Ausgangsspannungen einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche. Diese können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit der Zeichnung, charakterisiert und spezifiziert die Erfindung zusätzlich.
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Gemäß der Erfindung wird eine Schaltungsvorrichtung zur Versorgung eines Verbrauchers aus wenigstens zwei über eine Energiequelle aufladbaren Pufferspeichern angegeben, die Eingangsanschlüsse aufweist, welche mit der Energiequelle verbindbar oder verbunden sind, und die Ausgangsanschlüsse aufweist, welche mit dem Verbraucher verbindbar oder verbunden sind, wobei die Pufferspeicher über mehrere Schalter und Dioden in einer Pufferspeicherschaltung so schaltbar sind, dass sie bezüglich einer an den Eingangsanschlüssen anliegenden Eingangsspannung und einer an den Ausgangsanschlüssen anliegenden Ausgangsspannung wahlweise seriell zuschaltbar sind, so dass die Schaltungsvorrichtung mit unterschiedlicher Eingangsspannung und Ausgangsspannung betreibbar ist, wobei die Pufferspeicherschaltung eingangsseitig eine in einer ersten Parallelschaltung zu einem ersten Schalter angeordnete erste Serienschaltung aus einer ersten Diode und dem Pufferspeicher aufweist und ausgangsseitig eine in einer zweiten Parallelschaltung zu einer zweiten Diode angeordnete zweite Serienschaltung aus einem zweiten Schalter und dem Pufferspeicher aufweist.
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Demnach wird eine Schaltungsvorrichtung geschaffen, bei der mehrere Pufferspeicher vorgesehen sind, die über eine regenerative Energiequelle aufgeladen werden können und Energie an einen Verbraucher abgeben können. Neben der Verwendung mit regenerativen Energiequellen ist es auch vorgesehen, an den Eingangsanschlüssen eine Batterie anzuschließen. Während im ersten Fall die Funktion des Pufferspeicher als Zwischenspeicher im Vordergrund steht, wird im zweiten Fall die Schaltungsvorrichtung zur Anpassung der Spannungspegel genutzt Jedem Pufferspeicher ist eine Pufferspeicherschaltung zugeordnet, die so schaltbar ist, dass sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig ein wahlweises serielles Zuschalten einzelner Pufferspeicher möglich wird, was sowohl die Verwendung unterschiedlicher Ladespannungen der Energiequelle ermöglicht als auch unterschiedliche Versorgungsspannungen für elektrische Verbraucher bereitzustellen. Typischerweise sind die Pufferspeicher als Blei-Säure-Akkumulatoren oder auch als Lithium-Ionen-Batterien ausgeführt. Andere Ausführungsformen sind jedoch nicht ausgeschlossen. Falls beispielsweise zwei Pufferspeicher mit 12 V bereitgestellt werden, kann ein Aufladen aus der Energiequelle sowohl mit 12 V als auch mit 24 V erfolgen. Ebenso ist es möglich, dass die Schaltungsvorrichtung an den Verbraucher 12 V oder 24 V abgibt. An sich können auch eine Vielzahl von Pufferspeichern bereitgestellt werden, so dass durch sukzessives Zuschalten auch das Bilden einer Sinushalbwelle möglich wäre. Auf diese Weise lässt sich die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung vielfältig einsetzen, so dass eine Verwendung für viele elektrische Verbraucher möglich ist, ohne dabei auf unterschiedliche Stromrichter zugreifen zu müssen. Auch die Anpassung an unterschiedliche Ladespannungen erlaubt es, die erfindungsgemäße Schaltvorrichtung ohne weiteres auf unterschiedliche Energiequellen anzupassen. Insgesamt ergibt sich eine einfache, aber dennoch effiziente Versorgung mit elektrischer Energie, bei der insbesondere die hohe Flexibilität, die mit der Bereitstellung der Pufferspeicher notwendigen Investitionen rasch amortisieren kann.
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Gemäß der Erfindung weist die Pufferspeicherschaltung eingangsseitig eine in einer ersten Parallelschaltung zu einem ersten Schalter angeordnete erste Serienschaltung aus einer ersten Diode und dem Pufferspeicher auf.
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Um eingangsseitig, das heißt an der Verbindung zu der regenerativen Energiequelle, unterschiedliche Spannungswerte vorsehen zu können, ist eine Schaltung vorgesehen, bei der die Pufferspeicherschaltungen hintereinander geschaltet sind und jeweils über einen eigenen ersten Schalter zu- oder abschaltbar sind. Jeder Pufferspeicher wird dabei in Serie mit einer ersten Diode geschaltet, so dass beim Schließen des ersten Schalters kein Entladen des Pufferspeichers erfolgen kann. Die erste Diode ist bei geschlossenem erstem Schalter bezüglich der Ausgangsspannung des Pufferspeichers in Sperrrichtung angeordnet. Wenn beispielsweise eine Solarzelle als regenerative Energiequelle bereitgestellt wird, welche in diesem Beispiel eine Spannung von 24 V abgibt, so können dabei zwei 12 V Pufferspeicher in Reihenschaltung aufgeladen werden. Falls die Solarzelle jedoch nur 12 V bereitstellen würde, würden die beiden 12 V Pufferspeicher nacheinander aufgeladen werden. Somit kann über die ersten Schalter ausgewählt werden, wie viele Pufferspeicher seriell hintereinander während des Ladens angeordnet sein sollen.
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Gemäß der Erfindung weist die Pufferspeicherschaltung ausgangsseitig eine in einer zweiten Parallelschaltung zu einer zweiten Diode angeordnete zweite Serienschaltung aus einem zweiten Schalter und dem Pufferspeicher auf.
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Im Zusammenhang mit dem eingangsseitig beschriebenen Ausführungsbeispiel wird hier auf die Ausgangsseite erweitert. Somit werden die Pufferspeicher mit zweiten Schaltern parallel zu einer zweiten Diode angeordnet, wobei die zweite Diode bei geschlossenem zweitem Schalter bezüglich der Ausgangsspannung des Pufferspeichers in Sperrrichtung angeordnet ist. Demnach kann die Zahl der hintereinander angeordneten Pufferspeicher über die zweiten Schalter gewählt werden, was wiederum unterschiedliche Ausgangsspannungen ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine erste Pufferspeicherschaltung über einen Eingangsschalter am Pufferspeicher und am ersten Schalter mit einem ersten Eingangsanschluss und am ersten Schalter und an der ersten Diode mit einer zweiten oder weiteren Pufferspeicherschaltung verbunden, wobei die zweite oder weitere Pufferspeicherschaltung am Pufferspeicher und am ersten Schalter mit der ersten Pufferspeicherschaltung verbunden ist. Dabei kann die zweite oder weitere Pufferspeicherschaltung mit einem zweiten Eingangsanschluss oder einer nächsten Pufferspeicherschaltung verbunden sein, wobei bei der zweiten oder letzten Pufferspeicherschaltung der zweite Eingangsanschluss mit der ersten Diode und dem ersten Schalter verbunden ist, wobei die nächste Pufferspeicherschaltung am Pufferspeicher und am ersten Schalter mit der zweiten oder weiteren Pufferspeicherschaltung verbunden ist.
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Demnach können die Pufferspeicherschaltungen nun kaskadiert werden, so dass auch mehr als zwei Pufferspeicher vorgesehen werden können. Über den Eingangsschalter kann dazu die Energiequelle zugeschalten werden, um einen Ladevorgang der mehreren Pufferspeicher zu ermöglichen. Das wahlweise Zuschalten der Pufferspeicher über das Öffnen der ersten Schalter ermöglicht es dann, eine vorgegebene Anzahl von Pufferspeicher zwischen den Eingangsanschlüssen aufzuladen. Pufferspeicher, welche nicht aufgeladen werden sollen, werden über die ersten Schalter überbrückt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die erste Pufferspeicherschaltung an der zweiten Diode und am zweiten Schalter mit einem ersten Ausgangsanschluss und am Pufferspeicher und an der zweiten Diode mit der zweiten oder weiteren Pufferspeicherschaltung verbunden ist, wobei die zweite oder weitere Pufferspeicherschaltung an der zweiten Diode und am zweiten Schalter mit der ersten Pufferspeicherschaltung verbunden ist. Dabei kann die zweite oder weitere Pufferspeicherschaltung mit einem zweiten Ausgangsanschluss oder einer nächsten Pufferspeicherschaltung verbunden sein, wobei bei der zweiten oder letzten Pufferspeicherschaltung der zweite Ausgangsanschluss mit der zweiten Diode und dem Pufferspeicher verbunden ist, wobei die nächste Pufferspeicherschaltung an der zweiten Diode und am zweiten Schalter mit der zweiten oder weiteren Pufferspeicherschaltung verbunden ist.
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Auch ausgangsseitig ist es möglich, eine beliebige Anzahl von Pufferspeichern zuzuschalten, so dass auch mehr als zwei Spannungswerte zwischen den Ausgangsanschlüssen bereitgestellt werden können. Dies ermöglicht es, die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung für eine Vielzahl von Anwendungen schnell anpassen zu können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die wenigstens zwei Pufferspeicher als Batteriespeicher mit identischen Eigenschaften ausgeführt.
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Somit können Pufferspeicher zum Einsatz kommen, welche beispielsweise über die gleichen Ladespannungen verfügen, so dass bei der Auswahl der zuzuschaltenden Pufferspeicher während eines Ladevorgangs keine Vorauswahl getroffen werden muss. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Ladespannung des Energiespeichers derjenigen eines Pufferspeichers entspricht, so dass die Pufferspeicher nacheinander geladen werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die wenigstens zwei Pufferspeicher als Blei-Säure-Akkumulatoren so gesteuert, dass zur Vermeidung von Sulfation ein vollständiges Laden ermöglicht ist.
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Um Sulfation bei Blei-Säure-Akkumulatoren zu vermeiden, ist es notwendig, in regelmäßigen Abständen die Batteriespeicher vollständig aufzuladen. Da erfindungsgemäß völlig frei wählbar ist, welcher Pufferspeicher aufgeladen werden soll, kann durch gezielte Steuerung ein Pufferspeicher ausgewählt werden, um anschließend vollständig aufgeladen zu werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die wenigstens zwei Pufferspeicher als Batteriespeicher mit unterschiedlichen Eigenschaften ausgeführt.
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Diese Vorgehensweise ermöglicht es, beispielsweise bereits vorhandene Batteriespeicher auch mit unterschiedlichen Ladespannungen zu kombinieren.
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Wie bereits erwähnt, kann eingangsseitig und ausgangsseitig die Zahl der Pufferspeicher, welche seriell hintereinandergeschaltet sind, beliebig gewählt werden. Dabei kann die Eingangsspannung ein Vielfaches einer Spannung des Pufferspeichers betragen. Die Ausgangsspannung kann ebenfalls ein Vielfaches einer Spannung des Pufferspeichers betragen. Die Ausgangsspannung kann aber auch so gewählt werden, dass diese einen variablen oder auch periodisch sich verändernden Verlauf aufweist.
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Auf diese Weise lässt sich die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung auf unterschiedliche Anwendungsfälle anpassen.
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Um die Auswahl der zum Aufladen der Pufferspeicher vorgesehene Eingangsspannung bzw. die Wahl der Ausgangsspannung auf einfache Weise durchführen zu können, kann es vorgesehen sein, den Eingangsschalter, die ersten Schalter und die zweiten Schalter mittels einer Steuerschaltung anzusteuern. Die Steuerschaltung kann auch mit einer Benutzerschnittstelle verbunden sein, um die Werte für die Eingangsspannung und/oder die Ausgangsspannung vorzugeben.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Energiequelle eine regenerative Energiequelle, insbesondere eine Solarzelle oder ein Windrad, oder eine Redox-Flow-Batterie.
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Eine Redox-Flow-Batterie weist typischerweise nur eine geringe Ausgangsspannung auf, so dass über die Schaltungsvorrichtung und mehrere Pufferspeicher eine Versorgung des Verbrauchers mit einer höheren Ausgangsspannung bereitgestellt werden kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die ersten und/oder zweiten Dioden Schottky-Dioden oder sind durch geschaltete Transistoren, insbesondere MOS-FETs gebildet.
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Neben der Verwendung von Schottky-Dioden können auch geschaltete Transistoren ähnlich wie bei aktiven Gleichrichtern zum Einsatz kommen.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung während eines Aufladens,
- 3A eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung in einem ersten Betriebsmodus,
- 3B in einem Diagramm eine Ausgangsspannung im ersten Betriebsmodus, und
- 4 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Schaltungsvorrichtung in einem zweiten Betriebsmodus.
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In den Figuren sind gleiche oder funktional gleich wirkende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird nachfolgend eine erste Ausführungsform einer Schaltungsvorrichtung 2 in einer schematischen Darstellung gezeigt. Die Schaltungsvorrichtung 2 weist eine Solarzelle als Energiequelle 4 auf, welche über einen ersten Eingangsanschluss 6 und einen zweiten Eingangsanschluss 8 mit der Schaltungsvorrichtung 2 über die Verbindungsleitungen 10 bzw. 12 verbunden werden kann. Neben der Verwendung einer regenerativen Energiequelle kann der erste Eingangsanschluss 6 und der zweite Eingangsanschluss 8 auch mit Batterie, insbesondere einer Redox-Flow-Batterie verbunden sein. Die Verbindungsleitung 10 wird dabei über einen Eingangsschalter 14 und über die Verbindungsleitung 16 zur Schaltungsvorrichtung 2 geführt. Die regenerative Energiequelle 4 kann lediglich zum Zwecke eines Ladevorgangs der Pufferspeicher 20 über den ersten Eingangsanschluss 6 und den zweiten Eingangsanschluss 8 mit der Schaltungsvorrichtung 2 verbunden sein und nach Abschluss des Ladevorgangs von der Schaltungsvorrichtung 2 getrennt werden. In diesem Fall wäre der Eingangsschalter 14 an sich nicht notwendig und könnte entfallen.
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Die Schaltungsvorrichtung 2 kann zwei oder mehrere Pufferspeicher mit zugehöriger Pufferspeicherschaltung aufweisen. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 sind zwei Pufferspeicherschaltungen 18 und 18' gezeigt, welche jeweils einen Pufferspeicher 20, eine erste Diode 22 und einen ersten Schalter 24 aufweisen. Das Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist dabei so gewählt, dass das Potential am ersten Eingangsanschluss 6 positiver als das am zweiten Eingangsanschluss 8 ist.
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Während die erste Pufferspeicherschaltung 18 bereits über die Verbindungsleitung 16 eine Verbindung zwischen dem ersten Schalter 24 und dem Pufferspeicher 20 bereitstellt, wird bei der zweiten Pufferspeicherschaltung 18' eine Verbindungsleitung 26 angebracht, welche den Pufferspeicher 20 der zweiten Pufferspeicherschaltung 18' mit ihrem ersten Schalter 24 verbindet. Darüber hinaus wird die Verbindungsleitung 26 auch zur ersten Pufferspeicherschaltung 18 geführt und stellt einen Anschluss an die Kathode der ersten Diode bzw. des ersten Schalters der ersten Pufferspeicheranordnung 18 her. In gleicher Weise verbindet die Verbindungsleitung 12 den anderen Anschluss des ersten Schalters 24 und der ersten Diode 22 der zweiten Pufferspeicherschaltung 18'. Schließlich werden über die Verbindungsleitung 28 bzw. 30 Verbindungen zwischen den jeweiligen Pufferspeichern 20 und der Anode der ersten Diode 22 hergestellt.
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Des Weiteren weisen die Pufferspeicherschaltungen 18 und 18' zweite Schalter 32 sowie zweite Dioden 34 auf. Der zweite Schalter 32 der ersten Pufferspeicherschaltung 18 ist mit der Verbindungsleitung 16 verbunden. Die andere Seite des zweiten Schalters 32 ist über Verbindungsleitung 36 mit der Kathode der zweiten Diode 34 sowie mit einem ersten Ausgangsanschluss 38 verbunden. Die Anode der zweiten Diode 34 ist über die Verbindungsleitung 28 sowohl mit der ersten Diode 22 der ersten Pufferspeicherschaltung als auch mit der Kathode der zweiten Diode 34 der zweiten Pufferspeicherschaltung 18' verbunden, wobei zwischen die Verbindungsleitung 28 und der Verbindungsleitung 26 auf analoge Weise der zweite Schalter 32 in die zweite Pufferspeicherschaltung 18' eingefügt ist. Die Verbindungsleitung 30, welche auf die Anode der zweiten Diode 34 der zweiten Pufferspeicherschaltung 18' führt, ist auch mit einem zweiten Ausgangsanschluss 40 verbunden, wobei zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 38 und dem zweiten Ausgangsanschluss 40 mittels der Verbindungsleitungen 42 und 44 eine Verbindung zu einem Verbraucher 46 hergestellt wird. Bei dem ersten Ausgangsanschluss 38 und dem zweiten Ausgangsanschluss 40handelt es sich typischerweise um eine Steckverbindung, um verschiedene Verbraucher 46 anschließen zu können.
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Die Schaltungsvorrichtung 2 wurde im Ausführungsbeispiel gemäß 1 lediglich mit zwei Pufferspeicherschaltungen 18 und 18' beschrieben. Die Erfindung lässt sich jedoch auf eine Vielzahl von Pufferspeicherschaltungen erweitern, wobei dann ausgehend vom Spannungspotential die einzelnen Pufferspeicherschaltungen als erste, nächste oder letzte Pufferspeicherschaltung beschrieben werden. Im gezeigten Beispiel nach 1 wäre daher die Pufferspeicherschaltung 18 die erste Pufferspeicherschaltung, während die Pufferspeicherschaltung 18' als letzte Pufferspeicherschaltung bezeichnet werden kann.
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Die ersten und/oder zweiten Dioden 22 und 34 können Schottky-Dioden sein oder aber auch durch geschaltete Transistoren, insbesondere MOS-FETs gebildet werden.
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Um die Funktion der Schaltungsvorrichtung 2 detaillierter zu beschreiben, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 2 lediglich derjenige Teil der Pufferspeicherschaltungen gezeigt, der für ein Aufladen des Pufferspeichers 20 in der jeweiligen Pufferspeicherschaltung benötigt wird. Da lediglich das Aufladen der Pufferspeicher 20 beschrieben wird, wurde auch der Eingangsschalter 14 weggelassen. Die regenerative Energiequelle 4 kann lediglich zum Zwecke eines Ladevorgangs der Pufferspeicher 20 über den ersten Eingangsanschluss 6 und den zweiten Eingangsanschluss 8 mit der Schaltungsvorrichtung 2 verbunden sein und nach Abschluss des Ladevorgangs von der Schaltungsvorrichtung 2 getrennt werden. Auch in diesem Fall wäre der Eingangsschalter 14 an sich nicht notwendig und könnte entfallen.
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Man erkennt, dass die einzelnen Pufferspeicherschaltungen 18, 18' und 18" jeweils eine Reihenschaltung des Pufferspeichers 20 und der ersten Diode 22 aufweisen, welche über den ersten Schalter 24 überbrückt werden können. Die erste Diode 22 ist dabei bezüglich des Pufferspeichers 20 in Sperrrichtung angeordnet. Somit kann für jede der Pufferspeicherschaltung 18, 18' und 18" über das Aktivieren ihres ersten Schalters 24 ausgewählt werden, ob diese von der Energiequelle 4 aufgeladen werden soll oder nicht.
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Falls der erste Schalter 24 geöffnet ist, fließt Strom durch den jeweiligen Pufferspeicher 20 und durch die erste Diode 22 in Richtung der nächsten Pufferspeicherschaltung 18'. Falls der erste Schalter 24 geschlossen ist, wird der zugehörige Pufferspeicher 20 überbrückt, wobei über die in Sperrrichtung geschaltete erste Diode 22 der Pufferspeicher 20 nicht kurzgeschlossen wird. Auf diese Weise lässt sich die von der Energiequelle 4 abgegebene Ladespannung auf eine oder mehrere Pufferspeicherschaltungen 18, 18' oder 18" verteilen.
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Dabei können die Pufferspeicher 20 identisch gewählt werden, so dass beispielsweise bei einer Spannungsabgabe VA der Energiequelle 4 jede der Pufferspeicherschaltungen 18, 18' und 18" nacheinander mit der gleichen Spannung VA geladen werden können. In anderen Anwendungsfällen kann beispielsweise die erste Pufferspeicherschaltung einen Pufferspeicher mit einer Batteriespannung VB aufweisen, der der Ausgangsspannung VA der Energiequelle 4 entspricht. Die beiden anderen Pufferspeicherschaltungen 18' und 18" können auch mit einem Pufferspeicher 20 ausgestattet sein, dessen Batteriespannung VB der halben Ausgangsspannung VA entspricht. Durch die Reihenschaltung der beiden Pufferspeicherschaltungen 18' und 18" werden diese dann gemeinsam aufgeladen, während die erste Pufferspeicherschaltung 18 durch den geschlossenen ersten Schalter 24 nicht am Aufladeprozess teilnimmt.
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Wie anhand dieses Beispiels mit drei Pufferspeicherschaltungen 18, 18' und 18" deutlich wird, lassen sich auf diese Weise unterschiedliche Batterietypen oder unterschiedliche Spannungsbereiche aus einer einzigen Energiequelle 4 aufladen, was eine Vielzahl von Anwendungsfällen ermöglicht.
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Unter Bezugnahme auf 3A werden nachfolgend diejenigen Teile der Schaltungsvorrichtung 2 gezeigt, die für die Abgabe elektrischer Energie am ersten Ausgangsanschluss 38 und am zweiten Ausgangsanschluss 40 beteiligt sind. Man erkennt, dass hier vier Pufferspeicherschaltungen 18 bis 18''' angeordnet sind, wobei 18 die erste Pufferspeicherschaltung ist und 18''' die letzte Pufferspeicherschaltung in der Kette darstellt. Ausgehend von der ersten Pufferspeicherschaltung 18 lässt sich die Funktionalität wie folgt beschreiben.
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Falls der zweite Schalter 32 geschlossen ist, trägt die erste Pufferspeicherschaltung 18 mit ihrem Pufferspeicher 20 zur Ausgangsspannung bei. Bei geöffnetem Schalter wurde die Anodenseite der zweiten Diode 34 beispielsweise durch einen geschlossenen Schalter der zweiten Pufferspeicherschaltung 18' auf positives Potential gebracht werden, so dass sie bezüglich des ersten Ausgangsanschlusses 38 leitend wäre. Falls alle anderen zweiten Schalter 32 der weiteren Pufferspeicherschaltung 18" und 18''' geöffnet wären, würde ein Stromfluss über die jeweiligen zweiten Dioden 34 zum zweiten Ausgangsanschluss 40 erfolgen. Zusammenfassend lässt sich über die Ansteuerung der Pufferspeicherschaltungen eine beliebige Anzahl von Pufferspeichern 20 hintereinanderschalten.
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Im Ergebnis erhält man eine Ausgangsspannung, die auch zeitlich verändert werden kann, wie in 3B schematisch dargestellt ist. Nach einem zunächst für einen Zeitraum T1 geringeren Wert U1 wechselt für einen Zeitraum T2 die Ausgangsspannung auf einen Wert U2 und anschließend für einen Zeitraum T3 auf einen Wert U3. Auf diese Weise können beispielsweise drei unterschiedliche Ausgangsspannungen bereitgestellt werden, die unterschiedliche Verbraucher 46, welche nacheinander für die Zeiträume T1 bis T3 an den ersten Ausgangsanschluss 38 und den zweiten Ausgangsanschluss 40 angebracht wurden, mit Energie versorgen.
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Dieses Konzept ist unter Bezugnahme auf 4 nochmals auf mehrere Pufferspeicheranordnungen erweitert worden. Man erkennt, dass hier beispielhaft fünf Pufferspeicherschaltungen vorgesehen sind, wobei die Ausgangsspannung in einer zeitlichen Abfolge so gewählt werden kann, dass sich die einzelnen Spannungsbeiträge einen sich ändernden Verlauf aufweisen, der sich ähnlich zu einer Wechselspannung auch periodisch wiederholen kann..
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Die Überführung eines derartigen Spannungsverlaufs am Ausgang der Schaltungsvorrichtung 2 in eine Wechselspannung kann über entsprechende Filter und Brückenschaltungen erreicht werden. Auf diese Weise lässt sich die Schaltungsvorrichtung 2 nicht nur zur Versorgung von Verbrauchern 46 mit Gleichspannung sondern auch mit einer Wechselspannung einsetzen.
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Typischerweise sind die Pufferspeicher 20 als Blei-Säure-Akkumulatoren oder auch als Lithium-Ionen-Batterien ausgeführt. Andere Ausführungsformen sind jedoch nicht ausgeschlossen.
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Die wenigstens zwei Pufferspeicher 20 der Pufferschaltungen können als Batteriespeicher mit identischen Eigenschaften ausgeführt sein. Somit können Pufferspeicher 20 zum Einsatz kommen, welche beispielsweise über die gleichen Ladespannungen verfügen, so dass bei der Auswahl der zuzuschaltenden Pufferspeicher 20 während eines Ladevorgangs keine Vorauswahl getroffen werden muss. Dabei können die wenigstens zwei Pufferspeicher 20 so gesteuert werden, dass zur Vermeidung von Sulfation ein vollständiges Laden ermöglicht wird, indem diese in regelmäßigen Abständen die Batteriespeicher vollständig aufgeladen werden.
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Die wenigstens zwei Pufferspeicher können aber auch als Batteriespeicher mit unterschiedlichen Eigenschaften ausgeführt werden, um beispielsweise bereits vorhandene Batteriespeicher mit unterschiedlichen Ladespannungen zu kombinieren.
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Wie bereits erwähnt, kann eingangsseitig und ausgangsseitig die Zahl der Pufferspeicher 20, welche seriell hintereinandergeschaltet sind, beliebig gewählt werden. Dabei kann die Eingangsspannung ein Vielfaches einer Spannung des Pufferspeichers 20 betragen. Die Ausgangsspannung kann ebenfalls ein Vielfaches einer Spannung des Pufferspeichers 20 betragen.
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Aus den gezeigten Beispielen wird deutlich, dass sich die erfindungsgemäße Schaltungsvorrichtung auf unterschiedliche Anwendungen leicht anpassen lässt, ohne dabei zusätzliche Hardwarekomponenten zu benötigen.
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Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Schaltungsvorrichtung
- 4
- Energiequelle
- 6
- erster Eingangsanschluss
- 8
- zweiter Eingangsanschluss
- 10
- Verbindungsleitung
- 12
- Verbindungsleitung
- 14
- Eingangsschalter
- 16
- Verbindungsleitung
- 18
- Pufferspeicherschaltung
- 18'
- Pufferspeicherschaltung
- 18"
- Pufferspeicherschaltung
- 18'''
- Pufferspeicherschaltung
- 20
- Pufferspeicher
- 22
- erste Diode
- 24
- erster Schalter
- 26
- Verbindungsleitung
- 28
- Verbindungsleitung
- 30
- Verbindungsleitung
- 32
- zweiter Schalter
- 34
- zweite Diode
- 36
- Verbindungsleitung
- 38
- erster Ausgangsanschluss
- 40
- zweiter Ausgangsanschluss
- 42
- Verbindungsleitung
- 44
- Verbindungsleitung
- 46
- Verbraucher
- 48
- Sinushalbwelle
