DE202023103319U1

DE202023103319U1 - Circuit arrangement for supplying voltage to an electrochemical cleaning device

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Publication number: DE202023103319U1
Application number: DE202023103319.9U
Authority: DE
Original assignee: REUTER & CO KG GmbH
Current assignee: REUTER & CO KG GmbH
Priority date: 2023-05-10
Filing date: 2023-05-10
Publication date: 2023-07-03
Anticipated expiration: 2033-05-11

Abstract

Schaltungsanordnung (1) zur Spannungsversorgung einer elektrochemischen Reinigungseinrichtung (2), mit einem an eine externe Spannungsquelle mit einer Eingangsspannung (UE) angeschlossenen Schaltnetzteil (4) und mit einem wiederaufladbaren Batteriespeicher (5), wobei die Schaltungsanordnung (1) eine zwischen dem Schaltnetzteil (4) und dem wiederaufladbaren Batteriespeicher (5) angeordnete Spannungsverteileinheit (7) aufweist, die das Schaltnetzteil (4) und den wiederaufladbaren Batteriespeicher (5) derart ansteuert, dass zumindest im Einschaltbetrieb der elektrochemischen Reinigungseinrichtung (2) die Spannungsversorgung der elektrochemischen Reinigungseinrichtung (2) aus dem Schaltnetzteil (4) und dem wiederaufladbaren Batteriespeicher (5) bereitstellbar ist, und dass im Normalbetrieb der elektrochemischen Reinigungseinrichtung (2) die Spannungsversorgung der elektrochemischen Reinigungseinrichtung (2) aus dem Schaltnetzteil (4) und eine Ladespannung für den wiederaufladbaren Batteriespeicher (5) von dem Schaltnetzteil (4) bereitstellbar ist.

Circuit arrangement (1) for supplying voltage to an electrochemical cleaning device (2), with a switched-mode power supply (4) connected to an external voltage source with an input voltage (UE) and with a rechargeable battery store (5), the circuit arrangement (1) having a switched-mode power supply ( 4) and the rechargeable battery store (5), which controls the switched-mode power supply (4) and the rechargeable battery store (5) in such a way that at least when the electrochemical cleaning device (2) is switched on, the voltage supply to the electrochemical cleaning device (2) can be provided from the switched-mode power supply (4) and the rechargeable battery store (5), and that during normal operation of the electrochemical cleaning device (2) the power supply for the electrochemical cleaning device (2) comes from the switched-mode power supply (4) and a charging voltage for the rechargeable battery store (5) can be provided by the switched-mode power supply (4).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung einer elektrochemischen Reinigungseinrichtung.The invention relates to a circuit arrangement for supplying voltage to an electrochemical cleaning device.

Aus der DE 20 2014 106 289 U1 ist eine in Form einer elektrochemischen Reinigungseinrichtung ausgeführte Vorrichtung zur Reinigung metallischer Oberflächen bekannt. Zur Stromversorgung einer Elektrode der elektrochemischen Reinigungseinrichtung dient ein Akkumulator bzw. Akku mit nachgeschaltetem Wechselrichter und Steuerungseinheit, die bedarfsweise aus der Gleichspannung des Akkumulators eine höhere oder niedrigere Wechsel- oder Gleichspannung erzeugen. Obwohl Akkus im Vergleich zu der ansonsten üblichen Stromversorgung aus dem Netz relativ hohe Ströme liefern können, bringen sie den Nachteil mit sich, dass sie vergleichsweise schnell entladen werden.From the DE 20 2014 106 289 U1 a device designed in the form of an electrochemical cleaning device for cleaning metallic surfaces is known. An accumulator or accumulator with a downstream inverter and control unit, which generate a higher or lower AC or DC voltage from the accumulator's DC voltage, is used to supply power to an electrode of the electrochemical cleaning device. Although rechargeable batteries can deliver relatively high currents compared to the usual power supply from the mains, they have the disadvantage that they are discharged comparatively quickly.

Aus der EP 1 403 952 B1 ist eine aus einer internen Energiequelle und einer externen Energiequelle gebildete Hybridenergiequelle für einen elektrischen Verbraucher bekannt. In einem unterem Lastbereich wird der Verbraucher alleine durch die extern angeschlossene Energiequelle mit Energie versorgt und in einem oberen Lastbereich wird der Verbraucher durch die externe Energiequelle zusammen mit der internen Energiequelle mit Energie versorgt.From the EP 1 403 952 B1 a hybrid energy source formed from an internal energy source and an external energy source for an electrical consumer is known. In a lower load range, the consumer is supplied with energy solely by the externally connected energy source, and in an upper load range, the consumer is supplied with energy by the external energy source together with the internal energy source.

In der DE 10 2011 077 485 A1 ist ein elektrisches Arbeitsgerät mit einer elektrischen Maschine offenbart, die insbesondere als handgeführtes Elektrowerkzeug ausgebildet ist. Hierbei ist ein Akku zum Ausgleich von beim Betrieb der elektrischen Maschine auftretenden Stromspitzen vorgesehen, der insbesondere einen zum Stromanteil eines Netzteils beim Betrieb der elektrischen Maschine fehlenden Anteil beisteuern kannIn the DE 10 2011 077 485 A1 discloses an electrical working device with an electrical machine, which is designed in particular as a hand-held power tool. In this case, a rechargeable battery is provided to compensate for current peaks that occur during operation of the electrical machine, which can in particular contribute a proportion that is missing from the current component of a power supply unit during operation of the electrical machine

Weiterhin ist in der DE 10 2007 025 625 A1 ein handgeführtes Arbeitsgerät mit einem elektrischen Antriebsmotor und einer Stromversorgungseinrichtung beschrieben. Die Stromversorgungseinrichtung umfasst einen Netzstecker zum Anschluss an eine externe Stromquelle sowie ein Akkupack, wobei die Stromversorgung des elektrischen Antriebsmotors des handgeführten Arbeitsgeräts alternativ entweder über das Akkupack oder den Netzstecker und die externe Stromquelle erfolgt.Furthermore, in the DE 10 2007 025 625 A1 describes a hand-held tool with an electric drive motor and a power supply device. The power supply device includes a mains plug for connection to an external power source and a battery pack, the electric drive motor of the hand-held implement being supplied with power alternatively either via the battery pack or the mains plug and the external power source.

Schließlich ist aus der DE 10 2014 200 464 A1 eine Vorrichtung zum kombinierten Betreiben eines elektrischen Verbrauchers mit Netzstrom und/oder elektrischer Energie aus einer insbesondere als regenerative Energiequelle ausgebildeten unabhängigen Energiequelle bekannt. Beim Überschreiten eines Schwellenwerts für die elektrische Leistung an dem den Verbraucher ansteuernden Ausgang kann der Verbraucher vom Ausgang der Vorrichtung abgekoppelt werden.Finally is out of the DE 10 2014 200 464 A1 a device for the combined operation of an electrical consumer with mains current and/or electrical energy from an independent energy source designed in particular as a regenerative energy source is known. If a threshold value for the electrical power at the output driving the load is exceeded, the load can be decoupled from the output of the device.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung einer elektrochemischen Reinigungseinrichtung anzugeben, bei denen eine bedarfsgerechte Spannungsversorgung der einer elektrochemischen Reinigungseinrichtung mit vorteilhaften Eigenschaften realisiert ist und die hohe Leistungsreserven für die prozessbedingt hohen Stromimpulse beim elektrochemischen Bearbeiten mit Elektroden, insbesondere Kohlefaserpinseln, ermöglichen.The present invention is based on the object of specifying a circuit arrangement for the power supply of an electrochemical cleaning device, in which a needs-based power supply of an electrochemical cleaning device is realized with advantageous properties and which allow high power reserves for the process-related high current pulses during electrochemical processing with electrodes, in particular carbon fiber brushes .

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung einer elektrochemischen Reinigungseinrichtung mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.According to the invention, this object is achieved by a circuit arrangement for supplying voltage to an electrochemical cleaning device having the features specified in patent claim 1.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird zur Spannungsversorgung einer elektrochemischen Reinigungseinrichtung, bei der insbesondere im Betrieb zumindest zeitweise hohe Ströme beim Aufsetzen der Elektrode bzw. des Kohlefaserpinsels auf das Werkstück auftreten. Die zu Prozessbeginn noch hohe Elektrolytkonzentration führt zu einer sehr guten Leitfähigkeit. Zusammen mit dem Kurzschlussstrom beim Aufsetzen der Elektrode bzw. des Pinsels bis zum Zünden der stabilen Lichtbögen an den Kohlefaserenden des Pinsels bzw. des Elektronenflusses durch die Filzmembran an der Elektrode ist der Innenwiderstand der Schaltung prinzipbedingt annähernd Null, was die hohen Anfangsströme bewirkt. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung stellt bedarfsgerecht Energie aus einem wiederaufladbaren Batteriespeicher, beispielsweise aus einem Lithium-Ionen-Akku, mit hoher Energiedichte und kurzzeitig hohen zur Verfügung gestellten Strömen sowie gleichzeitig oder alternativ aus einem Schaltnetzteil mit hoher Stromstärke, hoher Spannungsstabilität und einem großem Spannungsbereich der Eingangsspannung bereit. Die Schaltungsanordnung mit den beiden genannten Spanungsquellen, nämlich dem Schaltnetzteil und dem wiederaufladbaren Batteriespeicher kann mit einfachen Bauteilen und gegebenenfalls mit vorzugsweise kompakten Standardbauteilen insbesondere auch für die beiden Spanungsquellen Schaltnetzteil und wiederaufladbarer Batteriespeicher realisiert werden. Hierdurch lassen sich auch vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich der durch die Schaltungsanordnung zur Verfügung gestellten Leistung für die einer elektrochemische Reinigungseinrichtung, hinsichtlich des Gewichts der Schaltungsanordnung und hinsichtlich der Kosten der Schaltungsanordnung erzielen.The circuit arrangement according to the invention is used to supply voltage to an electrochemical cleaning device in which, particularly during operation, high currents occur at least temporarily when the electrode or the carbon fiber brush is placed on the workpiece. The electrolyte concentration, which is still high at the start of the process, leads to very good conductivity. Together with the short-circuit current when the electrode or the brush is put on until the stable arcs are ignited at the carbon fiber ends of the brush or the flow of electrons through the felt membrane on the electrode, the internal resistance of the circuit is basically almost zero, which causes the high initial currents. The circuit arrangement according to the invention provides energy as required from a rechargeable battery store, for example from a lithium-ion battery, with a high energy density and high currents that are made available for a short time, and at the same time or alternatively from a switched-mode power supply with a high current intensity, high voltage stability and a large voltage range of the input voltage . The circuit arrangement with the two voltage sources mentioned, namely the switched-mode power supply and the rechargeable battery store, can be implemented with simple components and optionally with preferably compact standard components, in particular for the two voltage sources switched-mode power supply and rechargeable battery store. This also allows advantageous properties to be achieved with regard to the power provided by the circuit arrangement for that of an electrochemical cleaning device, with regard to the weight of the circuit arrangement and with regard to the costs of the circuit arrangement.

Zur bedarfsweisen Bereitstellung der adäquaten Spannungsversorgung für die elektrochemische Reinigungseinrichtung weist die Schaltungsanordnung eine zwischen dem an eine externe Spannungsquelle angeschlossenen Schaltnetzteil und dem wiederaufladbaren Batteriespeicher angeordnete Spannungsverteileinheit auf. Diese Spannungsverteileinheit steuert die beiden Spannungsquellen Schaltnetzteil und wiederaufladbarer Batteriespeicher derart an, dass die beim Aufsetzen der Elektrode bzw. des Pinsels und zu Prozessbeginn auftretenden hohen Stromspitzen durch die Spannungsversorgung der elektrochemischen Reinigungseinrichtung sowohl aus dem Schaltnetzteil als auch aus dem wiederaufladbaren Batteriespeicher bereitgestellt wird und im auf den Einschaltbetrieb zeitlich folgenden Normalbetrieb der elektrochemischen Reinigungseinrichtung die Spannungsversorgung derselben größtenteils aus dem Schaltnetzteil bereitgestellt wird. Gleichzeitig wird im Normalbetrieb der elektrochemischen Reinigungseinrichtung vom Schaltnetzteil eine Ladespannung für den wiederaufladbaren Batteriespeicher vom Schaltnetzteil bereitgestellt und dieser somit aufgeladen.In order to provide the adequate voltage supply for the electrochemical cleaning device as required, the circuit arrangement has a voltage distribution unit arranged between the switched-mode power supply unit, which is connected to an external voltage source, and the rechargeable battery store. This voltage distribution unit controls the two voltage sources, the switched-mode power supply and the rechargeable battery storage device, in such a way that the high current peaks that occur when the electrode or brush is placed and at the start of the process are provided by the voltage supply for the electrochemical cleaning device both from the switched-mode power supply unit and from the rechargeable battery storage device and in the on normal operation of the electrochemical cleaning device following the switch-on operation in time, the voltage supply of the same is largely provided from the switched-mode power supply. At the same time, during normal operation of the electrochemical cleaning device, the switched-mode power supply provides a charging voltage for the rechargeable battery store, and the latter is thus charged.

Mit anderen Worten wird die Schaltungsanordnung zur Spannungsversorgung der elektrochemischen Reinigungseinrichtung in unterschiedlichen Betriebsarten derselben auf unterschiedliche Weise betrieben: Im Einschaltbetrieb bzw. Anlaufbetrieb der elektrochemischen Reinigungseinrichtung besteht oftmals kurzzeitig ein hoher Strombedarf, so dass für die elektrochemische Reinigungseinrichtung zusätzlich zur Leistung aus dem kompakten Schaltnetzteil auch Leistung aus dem wiederaufladbaren Batteriespeicher bereitgestellt wird. Unter Höchstbelastung werden beide Energiequellen, d.h. das kompakte Schaltnetzteil und der wiederaufladbare Batteriespeicher, vollständig parallelgeschaltet und liefern damit die maximal mögliche Leistung für den Betrieb der elektrochemischen Reinigungseinrichtung. Im Normalbetrieb der elektrochemischen Reinigungseinrichtung ohne hohen Strom- bzw. Leistungsbedarf derselben wird die Leistung für dieselbe zum überwiegenden Teil oder vorzugsweise vollständig aus dem kompakten Schaltnetzteil bereitgestellt. Auch können kurzzeitig auftretende Stromimpulse in der Regel alleine mit der Leistung des Schaltnetzteils abgefangen werden, gegebenenfalls kann aber hierzu auch der wiederaufladbare Batteriespeicher hinzugeschaltet werden. Die hohen Stromspitzen würden ansonsten ein zu klein dimensioniertes Schaltnetzteil zerstören oder zum Selbstschutz in die Leistungsreduzierung bzw. Abschaltung zwingen, der elektrochemische Prozess würde stoppen. Das Schaltnetzteil so groß zu dimensionieren, dass keine Leistungsabschaltung oder Reduzierung erfolgte, würde die Spannungsversorgungseinrichtung zu groß, zu teuer und störanfällig machen. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung sorgt nicht nur dafür, dass über die Akkumulatoren genügend Strom bzw. Leistungsreserven kurzfristig abgerufen werden können und dem elektrochemischen Prozess unmittelbar zur Verfügung stehen, sondern verhindert auch eine Überforderung des Schaltnetzteils mit einhergehender Abschaltung, Leistungsreduzierung oder Zerstörung. Dadurch kann das Schaltnetzteil wesentlich kleiner, leichter und günstiger bemessen werden. Ein zuverlässigerer Betrieb ist so gewährleistet.In other words, the circuit arrangement for supplying voltage to the electrochemical cleaning device is operated in different ways in different operating modes of the same: When the electrochemical cleaning device is switched on or started up, there is often a high current requirement for a short time, so that the electrochemical cleaning device also needs power in addition to the power from the compact switched-mode power supply is provided from the rechargeable battery storage. Under maximum load, both energy sources, i.e. the compact switching power supply and the rechargeable battery storage, are connected completely in parallel and thus deliver the maximum possible power for the operation of the electrochemical cleaning device. During normal operation of the electrochemical cleaning device without a high current or power requirement of the same, the power for the same is provided for the most part or preferably completely from the compact switched-mode power supply. Briefly occurring current pulses can usually be intercepted solely with the power of the switched-mode power supply, but if necessary the rechargeable battery storage can also be switched on for this purpose. Otherwise, the high current peaks would destroy an undersized switched-mode power supply or force the power to be reduced or switched off for self-protection, and the electrochemical process would stop. Dimensioning the switched-mode power supply so large that the power was not switched off or reduced would make the power supply device too large, too expensive and prone to failure. The circuit arrangement according to the invention not only ensures that sufficient current or power reserves can be called up at short notice via the accumulators and are immediately available for the electrochemical process, but also prevents the switched-mode power supply from being overstretched with associated shutdown, power reduction or destruction. As a result, the switched-mode power supply can be made much smaller, lighter and cheaper. This ensures more reliable operation.

Falls die elektrochemische Reinigungseinrichtung nur einen geringen Leistungsbedarf aufweist oder bei einer entsprechenden Dimensionierung des Schaltnetzteils wird überschüssige Energie aus dem Schaltnetzteil zum Aufladen des wiederaufladbaren Batteriespeichers herangezogen, so dass dieser in der Regel immer vollständig aufgeladen ist, insbesondere bei einem an die Netzspannung angeschlossenen und damit eingeschalteten Schaltnetzteil. Die erfindungsgemäße Schaltung sorgt auch für eine selbstständige intelligente Regelung der Leistungsverteilung des Schaltnetzteils, so dass der Akkumulator im Regelbetrieb immer über 50% geladen ist und so jederzeit eventuell auftretende prozessbedingte Stromspitzen abfedern kann.If the electrochemical cleaning device has only a low power requirement or if the switched-mode power supply is dimensioned accordingly, excess energy from the switched-mode power supply is used to charge the rechargeable battery storage device, so that it is usually always fully charged, in particular when one is connected to the mains voltage and is therefore switched on switching power supply. The circuit according to the invention also ensures independent, intelligent regulation of the power distribution of the switched-mode power supply, so that the accumulator is always more than 50% charged in regular operation and can thus cushion any process-related current peaks that may occur at any time.

Falls kein Netzbetrieb zur Spannungsversorgung der elektrochemischen Reinigungseinrichtung möglich ist, beispielsweise bei einem Stromausfall oder wenn eine Steckdose zu weit entfernt ist oder gar nicht erreichbar ist, kann die elektrochemische Reinigungseinrichtung auch während einer bestimmten Zeitspanne, beispielsweise während einiger Minuten, autark nur von dem wiederaufladbaren Batteriespeicher mit Spannung versorgt werden. Hierbei ist es vorteilhaft, dass der wiederaufladbare Batteriespeicher wie beschrieben zu Beginn des Akkubetriebs eigentlich immer voll aufgeladen ist und der Bediener der elektrochemischen Reinigungseinrichtung dieselbe damit auch während der maximal möglichen Zeit alleine mit dem wiederaufladbaren Batteriespeicher betreiben kann.If no mains operation is possible to supply the electrochemical cleaning device with power, for example in the event of a power failure or if a socket is too far away or cannot be reached at all, the electrochemical cleaning device can also be operated independently for a certain period of time, for example for a few minutes, only from the rechargeable battery storage be supplied with voltage. It is advantageous here that the rechargeable battery store is actually always fully charged, as described, at the start of battery operation and the operator of the electrochemical cleaning device can operate the same with the rechargeable battery store alone for the maximum possible time.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Spannungsverteileinheit das Schaltnetzteil und den wiederaufladbaren Batteriespeicher derart ansteuert, dass das Schaltnetzteil vor einer Überlast geschützt ist. Zu diesem Zweck kann in für das Schaltnetzteil kritischen Betriebszuständen der elektrochemischen Reinigungseinrichtung rechtzeitig der wiederaufladbare Batteriespeicher zur Spannungsversorgung der elektrochemischen Reinigungseinrichtung hinzugeschaltet und damit das Schaltnetzteil entlastet und somit geschützt werden. Dadurch wird die Netzschutzfunktion für das Schaltnetzteil von der Spannungsverteileinheit übernommen.In an advantageous embodiment of the invention, it can be provided that the voltage distribution unit controls the switched-mode power supply and the rechargeable battery store in such a way that the switched-mode power supply is protected against overload. For this purpose, in operating states of the electrochemical cleaning device that are critical for the switched-mode power supply, the rechargeable battery storage device can be switched on in good time to supply voltage to the electrochemical cleaning device, thereby relieving the load on the switched-mode power supply and thus protecting it. As a result, the mains protection function for the switched-mode power supply is taken over by the voltage distribution unit.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann in der Schaltungsanordnung ein DC/AC-Wandler mit einer Spannungsregelung und Stromregelung zwischen der Spannungsverteileinheit und der elektrochemischen Reinigungseinrichtung angeordnet sein. Durch den DC/AC-Wandler wird als Konverter die Gleichspannungsenergie (DC) der beiden Gleichspannungs-Energiequellen bzw. DC-Energiequellen Schaltnetzteil und wiederaufladbarer Batteriespeicher, in Wechselspannung (AC) umgewandelt, die für viele Anwendungszwecke der elektrochemischen Reinigungseinrichtung benötigt wird, insbesondere zum Reinigen und Polieren der Oberflächen von Werkstücken.In an advantageous development of the invention, a DC/AC converter with voltage regulation and current regulation can be arranged in the circuit arrangement between the voltage distribution unit and the electrochemical cleaning device. The direct voltage energy (DC) of the two direct voltage energy sources or DC energy sources, switching power supply and rechargeable battery storage, is converted as a converter by the DC/AC converter into alternating voltage (AC), which is required for many applications of the electrochemical cleaning device, in particular for cleaning and polishing the surfaces of workpieces.

Der DC/AC-Wandler kann integrierte Induktivitäten und Kapazitäten zur Energiespeicherung aufweisen. Ein solcher der Spannungsverteileinheit nachgeschalteter DC/AC-Wandler mit integrierten Induktivitäten und Kapazitäten speichert zudem Energie und dämpft so die beim Betrieb der elektrochemischen Reinigungseinrichtung auftretenden hohen Spitzenströme zusätzlich.The DC/AC converter can have integrated inductors and capacitors for energy storage. Such a DC/AC converter, which is connected downstream of the voltage distribution unit and has integrated inductances and capacitances, also stores energy and thus additionally dampens the high peak currents occurring during operation of the electrochemical cleaning device.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ein Batteriemanagementsystem zwischen der Spannungsverteileinheit und dem wiederaufladbaren Batteriespeicher angeordnet ist, das den Ladezustand des wiederaufladbaren Batteriespeichers überwacht. Dieses Batteriemanagementsystem steuert und überwacht den Ladezustand des wiederaufladbaren Batteriespeichers, insbesondere werden die einzelnen Zellen des beispielsweise als Lithium-Akku ausgebildeten wiederaufladbaren Batteriespeichers untereinander abgeglichen. Hierdurch kann durch das Batteriemanagementsystem eine Schutzfunktion hinsichtlich des Entladestroms, hinsichtlich des Kurzschlussfalls, hinsichtlich der Unterladungsspannung und der Überladungsspannung realisiert werden.In a further advantageous development of the invention, a battery management system is arranged between the voltage distribution unit and the rechargeable battery store, which monitors the state of charge of the rechargeable battery store. This battery management system controls and monitors the state of charge of the rechargeable battery store, in particular the individual cells of the rechargeable battery store, which is designed as a lithium battery, for example, are compared with one another. As a result, the battery management system can implement a protective function with regard to the discharge current, with regard to the event of a short circuit, with regard to the undercharging voltage and the overcharging voltage.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann ein Hallsensor zwischen der Spannungsverteileinheit und dem wiederaufladbaren Batteriespeicher angeordnet sein, der den Energiefluss in den wiederaufladbaren Batteriespeicher hinein und aus dem wiederaufladbaren Batteriespeicher heraus überwacht. Hierzu wird der in den wiederaufladbaren Batteriespeicher hineinfließende Strom und der aus dem wiederaufladbaren Batteriespeicher herausfließende Strom permanent summiert, d.h. zum Stromwert im wiederaufladbaren Batteriespeicher aufaddiert oder vom Stromwert im wiederaufladbaren Batteriespeicher subtrahiert. Demzufolge ist auch der aktuelle Ladezustand des wiederaufladbaren Batteriespeichers jederzeit bekannt und kann entsprechend ausgewertet, verarbeitet und angezeigt werden.In a further advantageous development of the invention, a Hall sensor can be arranged between the voltage distribution unit and the rechargeable battery store, which monitors the flow of energy into the rechargeable battery store and out of the rechargeable battery store. For this purpose, the current flowing into the rechargeable battery storage and the current flowing out of the rechargeable battery storage are permanently summed, i.e. added to the current value in the rechargeable battery storage or subtracted from the current value in the rechargeable battery storage. As a result, the current state of charge of the rechargeable battery storage is known at all times and can be evaluated, processed and displayed accordingly.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine Kontrolleinheit zur Überwachung der Schaltungskomponenten der Schaltungsanordnung und zur Ablaufsteuerung der Schaltungsanordnung vorgesehen. Diese Kontrolleinheit ist beispielsweise als Mikrocontroller oder Mikroprozessor (µP) ausgebildet und insbesondere mit den zu steuernden und/oder zu überwachenden Schaltungskomponenten der Schaltungsanordnung direkt oder indirekt beispielsweise über Steuerleitungen verbunden.In a further advantageous development of the invention, a control unit is provided for monitoring the circuit components of the circuit arrangement and for controlling the sequence of the circuit arrangement. This control unit is designed, for example, as a microcontroller or microprocessor (μP) and in particular is connected directly or indirectly to the circuit components of the circuit arrangement to be controlled and/or monitored, for example via control lines.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist in der Schaltungsanordnung mindestens ein Temperatursensor zur Überwachung von des Temperaturverhaltens der Schaltungsanordnung vorgesehen.In a further advantageous development of the invention, at least one temperature sensor for monitoring the temperature behavior of the circuit arrangement is provided in the circuit arrangement.

Insbesondere ist ein Temperatursensor an das Schaltnetzteil und ein Temperatursensor an den wiederaufladbaren Batteriespeicher gekoppelt, so dass insbesondere das Temperaturverhaltens des Schaltnetzteils und des wiederaufladbaren Batteriespeichers überwacht wird.In particular, a temperature sensor is coupled to the switched-mode power supply and a temperature sensor to the rechargeable battery storage device, so that in particular the temperature behavior of the switched-mode power supply unit and the rechargeable battery storage device is monitored.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird vorteilhafterweise mit einfachen Standardkomponenten und folglich auch auf einfache Weise und mit geringen Kosten eine effiziente Bereitstellung der zum Betrieb der elektrochemischen Reinigungseinrichtung benötigten Spannungsversorgung realisiert. Diese Spannungsversorgung der elektrochemischen Reinigungseinrichtung kann insbesondere auch in unterschiedlichen Betriebszuständen der elektrochemischen Reinigungseinrichtung und somit umfassend auch bei problematischen Verhältnissen im Betrieb derselben bereitgestellt werden.In the circuit arrangement according to the invention, an efficient provision of the voltage supply required for operating the electrochemical cleaning device is advantageously implemented with simple standard components and consequently also in a simple manner and at low cost. This voltage supply for the electrochemical cleaning device can also be provided in particular in different operating states of the electrochemical cleaning device and thus comprehensively even in problematic conditions in the operation of the same.

Bei einem Verfahren zur Spannungsversorgung der elektrochemischen Reinigungseinrichtung, mit dem an die externe Spannungsquelle mit einer Eingangsspannung angeschlossenen Schaltnetzteil und mit dem wiederaufladbaren Batteriespeicher steuert eine zwischen dem Schaltnetzteil und dem wiederaufladbaren Batteriespeicher angeordnete Spannungsverteileinheit das Schaltnetzteil und den wiederaufladbaren Batteriespeicher derart an, dass zumindest im Einschaltbetrieb der elektrochemischen Reinigungseinrichtung die Spannungsversorgung derselben aus dem Schaltnetzteil und dem wiederaufladbaren Batteriespeicher bereitgestellt wird, und dass im Normalbetrieb der elektrochemischen Reinigungseinrichtung die Spannungsversorgung derselben aus dem Schaltnetzteil und eine Ladespannung für den wiederaufladbaren Batteriespeicher von dem Schaltnetzteil bereitgestellt wird.In a method for supplying power to the electrochemical cleaning device, with the switched-mode power supply connected to the external voltage source with an input voltage and with the rechargeable battery storage device, a voltage distribution unit arranged between the switched-mode power supply unit and the rechargeable battery storage device controls the switched-mode power supply unit and the rechargeable battery storage device in such a way that, at least in switch-on mode, the electrochemical cleaning device is supplied with power from the switched-mode power supply and the rechargeable battery storage device, and that during normal operation of the electrochemical cleaning device the voltage supply is provided for the same from the switched-mode power supply and a charging voltage for the rechargeable battery storage device is provided by the switched-mode power supply.

Dadurch kann entsprechend dem jeweiligen Bedarf Energie mit hoher Energiedichte und kurzzeitig hohen zur Verfügung gestellten Strömen aus dem wiederaufladbaren Batteriespeicher und gleichzeitig oder alternativ Energie mit hoher Stromstärke, hoher Spannungsstabilität und einem großem Spannungsbereich der Eingangsspannung aus dem Schaltnetzteil bereitgestellt werden.This means that energy with a high energy density and for a short time can be tig high currents made available from the rechargeable battery storage and at the same time or alternatively energy with high current, high voltage stability and a large voltage range of the input voltage from the switching power supply are provided.

Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.An exemplary embodiment of the invention is shown in principle using the drawing.

Es zeigt:

1 ein Blockschaltbild mit einer schematischen Darstellung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

It shows:

1 a block diagram with a schematic representation of the circuit arrangement according to the invention.

1 zeigt eine Schaltungsanordnung 1 zur Spannungsversorgung einer elektrochemischen Reinigungseinrichtung 2 zum elektrochemischen Reinigen der Oberfläche eines Werkstücks 3. Hierzu weist die elektrochemische Reinigungseinrichtung 2 vorzugsweise eine Elektrode oder ein Kohlefaserpinsel auf. 1 1 shows a circuit arrangement 1 for supplying voltage to an electrochemical cleaning device 2 for electrochemically cleaning the surface of a workpiece 3. For this purpose, the electrochemical cleaning device 2 preferably has an electrode or a carbon fiber brush.

Beim Aufsetzen der Elektrode oder des Kohlefaserpinsels der elektrochemischen Reinigungseinrichtung 2 auf das Werkstück 3 wird im Einschaltbetrieb der elektrochemischen Reinigungseinrichtung 2 quasi ein Beinahe-Kurzschluss erzeugt, wodurch in Abhängigkeit der hierbei beteiligten Widerstände sehr hohe Ströme fließen können, beispielsweise Ströme bis zu über 500 A. Während dieses Zeitraums im Einschaltbetrieb der elektrochemischen Reinigungseinrichtung 2, typischerweise in einem Zeitraum weniger Millisekunden, muss demzufolge für die elektrochemische Reinigungseinrichtung 2 eine sehr hohe Energie bereitgestellt werden.When the electrode or the carbon fiber brush of the electrochemical cleaning device 2 is placed on the workpiece 3, a virtual short circuit is generated when the electrochemical cleaning device 2 is switched on, as a result of which very high currents can flow, for example currents of up to more than 500 A, depending on the resistances involved. During this period of time when the electrochemical cleaning device 2 is switched on, typically in a period of a few milliseconds, a very high level of energy must therefore be made available for the electrochemical cleaning device 2 .

In dem sich an den Einschaltbetrieb der elektrochemischen Reinigungseinrichtung 2 zeitlich anschließenden Normalbetrieb derselben und insbesondere ohne Auftreten von Stromspitzen, wird dagegen für die elektrochemische Reinigungseinrichtung 2 nur eine deutlich geringere Energie von durchschnittlich 50 A benötigt.In contrast, in the normal operation of the electrochemical cleaning device 2 that follows the switch-on operation of the same and in particular without the occurrence of current peaks, only a significantly lower energy of 50 A on average is required for the electrochemical cleaning device 2 .

Die zur Spannungsversorgung der elektrochemischen Reinigungseinrichtung 2 vorgesehene Schaltungsanordnung 1 kann, wie nachfolgend beschrieben, für alle Lastzustände der elektrochemischen Reinigungseinrichtung 2 die jeweils benötigte adäquate Energiemenge bereitstellen.The circuit arrangement 1 provided for the voltage supply of the electrochemical cleaning device 2 can, as described below, provide the respectively required adequate amount of energy for all load states of the electrochemical cleaning device 2 .

Hierzu weist die Schaltungsanordnung 1 als erste Energiequelle ein leichtes, spannungsstabiles, sehr gut und schnell regelbares Schaltnetzteil 4 auf, das in einem weiten Bereich einer Eingangsspanung UE betrieben werden kann, beispielsweise in einem Bereich der Eingangsspanung UE zwischen 90 V und 250 V, und das daher auch als Weitbereichsschaltnetzteil bezeichnet werden kann.For this purpose, the circuit arrangement 1 has, as the first energy source, a light, voltage-stable, very easily and quickly controllable switched-mode power supply 4, which can be operated in a wide range of an input voltage UE, for example in a range of the input voltage UE between 90 V and 250 V, and that can therefore also be referred to as a wide-range switched-mode power supply.

Weiterhin weist die Schaltungsanordnung 1 als zweite Energiequelle einen beispielsweise als Lithium-Ionen-Akku ausgebildeten wiederaufladbaren Batteriespeicher 5 auf, der beispielsweise eine Leistung von 50 - 100 Wh bzw. 100 - 150A Impulsstrom bis maximal 10 Sekunden bereitstellen kann. Im voll aufgeladenen Zustand des wiederaufladbaren Batteriespeichers 5 kann von dem wiederaufladbaren Batteriespeicher 5 beispielsweise eine Spannung von 18 V über einen Zeitraum von bis zu 10 Minuten bereitgestellt werden.Furthermore, the circuit arrangement 1 has a rechargeable battery store 5 as a second energy source, for example a lithium-ion battery, which can provide, for example, an output of 50-100 Wh or 100-150 A pulsed current up to a maximum of 10 seconds. In the fully charged state of the rechargeable battery store 5, a voltage of 18 V, for example, can be provided by the rechargeable battery store 5 over a period of up to 10 minutes.

Die von den beiden Energiequellen, nämlich dem Schaltnetzteil 4 und dem wiederaufladbaren Batteriespeicher 5, als Gleichspannung (DC) gelieferte Ausgangsspannung wird von einem DC/AC-Wandler 6 als Konverter in eine Wechselspannung (AC) umgewandelt. Mit dieser Wechselspannung wird dann die elektrochemische Reinigungseinrichtung 2 zum Reinigen oder mit Gleichspannung zum Polieren betrieben.The output voltage supplied as direct voltage (DC) by the two energy sources, namely the switching power supply 4 and the rechargeable battery store 5, is converted into an alternating voltage (AC) by a DC/AC converter 6 as a converter. The electrochemical cleaning device 2 is then operated with this AC voltage for cleaning or with DC voltage for polishing.

Damit für alle Lastzustände der elektrochemischen Reinigungseinrichtung 2, d.h. insbesondere für den Einschaltbetrieb und für den Normalbetrieb derselben 2, die jeweils benötigte adäquate Energiemenge bereitgestellt wird, ist eine Spannungsverteileinheit 7 vorgesehen, die sowohl mit dem Schaltnetzteil 4 als auch mit dem wiederaufladbaren Batteriespeicher 5 direkt oder indirekt verbunden ist.A voltage distribution unit 7 is provided, which can be connected directly or is indirectly connected.

Entsprechend der Vorgabe durch die Spannungsverteileinheit 7 wird die elektrochemische Reinigungseinrichtung 2 entweder von dem Schaltnetzteil 4 alleine mit Spannung versorgt, insbesondere im Normalbetrieb der elektrochemischen Reinigungseinrichtung 2 ohne Auftreten von übermäßigen Stromspitzen, oder aber er wird von dem Schaltnetzteil 4 und von dem wiederaufladbaren Batteriespeicher 5 gemeinsam mit Spannung versorgt, insbesondere beim Auftreten von sehr hohen Stromspitzen im Anlaufbetrieb der elektrochemischen Reinigungseinrichtung 2 und gegebenenfalls auch im Normalbetrieb der elektrochemischen Reinigungseinrichtung 2, oder er wird von dem wiederaufladbaren Batteriespeicher 5 alleine mit Spannung versorgt, insbesondere bei einem Primärspannungsausfall oder Spannungseinbrüchen beim Schaltnetzteil 4 oder beim Auftreten von Störungen oder sonstigen Problemen beim Schaltnetzteil 4.According to the specification by the voltage distribution unit 7, the electrochemical cleaning device 2 is either supplied with voltage by the switched-mode power supply 4 alone, in particular during normal operation of the electrochemical cleaning device 2 without the occurrence of excessive current peaks, or it is supplied jointly by the switched-mode power supply 4 and the rechargeable battery storage device 5 is supplied with voltage, in particular when very high current peaks occur during start-up operation of the electrochemical cleaning device 2 and possibly also during normal operation of the electrochemical cleaning device 2, or it is supplied with voltage solely by the rechargeable battery storage device 5, in particular in the event of a primary voltage failure or voltage dips in the switched-mode power supply 4 or if faults or other problems occur with the switched-mode power supply 4.

Insbesondere wird durch die Spannungsverteileinheit 7 auch sichergestellt, dass für den wiederaufladbaren Batteriespeicher 5 im Normalbetrieb auch ein bestimmter (geringer) Ladestrom durch das Schaltnetzteil 4 bereitgestellt wird, so dass der wiederaufladbare Batteriespeicher 5 bei eingeschaltetem Schaltnetzteil 4 immer vollständig aufgeladen ist. Das Schaltnetzteil 4 ist also so ausgelegt, dass es nicht nur den Grundstrom für die elektrochemische Reinigungseinrichtung 2 liefert, sondern auch genügend Reserve hat, um den Batteriespeicher 5 aufzuladen.In particular, the voltage distribution unit 7 also ensures that a certain (low) charging current is also provided by the switching power supply 4 for the rechargeable battery storage 5 in normal operation, so that the rechargeable battery storage 5 can be switched on when it is switched on tetem switching power supply 4 is always fully charged. The switched-mode power supply 4 is therefore designed in such a way that it not only supplies the basic current for the electrochemical cleaning device 2 but also has sufficient reserve to charge the battery storage device 5 .

Zur Überwachung und Ansteuerung des Schaltnetzteils 4 ist zwischen der Spannungsverteileinheit 7 und dem Schaltnetzteil 4 eine Steuerleitung 8 vorgesehen. Hierdurch wird insbesondere auch sichergestellt, dass für das Schaltnetzteil 4 keine kritischen Zustände auftreten können, in denen das Schaltnetzteil 4 beispielsweise geschädigt werden könnte. A control line 8 is provided between the voltage distribution unit 7 and the switched-mode power supply 4 for monitoring and controlling the switched-mode power supply 4 . This also ensures in particular that no critical states can occur for the switched-mode power supply 4 in which the switched-mode power supply 4 could be damaged, for example.

Eine Steuereinheit 9 überwacht als Kontrolleinheit den gesamten Reinigungsprozess des Werkstücks 3 durch die elektrochemische Reinigungseinrichtung 2. Hierzu sind in der Steuereinheit 9 beispielsweise unterschiedliche Reinigungsprogramme, Programmabläufe und Betriebsmodi sowie verschiedenen Sonderfunktionen gespeichert. Insbesondere sind in der Steuereinheit 9 auch diverse Parameter, Kennwerte, Kennlinien und Pulsfunktionen gespeichert, die zur Auslegung und zur Durchführung des Reinigungsprozesses benötigt werden.A control unit 9 monitors the entire cleaning process of the workpiece 3 by the electrochemical cleaning device 2 as a control unit. In particular, various parameters, characteristic values, characteristic curves and pulse functions that are required for the design and implementation of the cleaning process are also stored in the control unit 9 .

Ein Batteriemanagementsystem 10 dient zur Überwachung, Regelung und zum Schutz der Batteriezellen des wiederaufladbaren Batteriespeichers 5 und damit des wiederaufladbaren Batteriespeichers 5 selbst und steuert den Ladevorgang des wiederaufladbaren Batteriespeichers 5.A battery management system 10 is used to monitor, control and protect the battery cells of the rechargeable battery storage 5 and thus the rechargeable battery storage 5 itself and controls the charging process of the rechargeable battery storage 5.

Mittels eines in Reihe zu dem Batteriemanagementsystem 10 geschalteten und beispielsweise in dem Batteriemanagementsystem 10 integrierten Hallsensors 11 wird der Stromfluss in den wiederaufladbaren Batteriespeicher 5 hinein und der Stromfluss aus dem wiederaufladbaren Batteriespeicher 5 heraus permanent erfasst und hierdurch der jeweils aktuelle Ladezustand des wiederaufladbaren Batteriespeichers 5 bestimmt.The current flow into the rechargeable battery storage 5 and the current flow out of the rechargeable battery storage 5 are permanently recorded by means of a Hall sensor 11 connected in series to the battery management system 10 and integrated, for example, in the battery management system 10, and the current state of charge of the rechargeable battery storage 5 is determined as a result.

Über einen mit dem Schaltnetzteil 4 verbundenen Temperatursensor 12 und einen mit dem wiederaufladbaren Batteriespeicher 5 verbundenen Temperatursensor 13 wird das Temperaturverhalten der beiden Spannungsquellen Schaltnetzteil 4 und wiederaufladbarer Batteriespeicher 5 überwacht und hierdurch ein aktives Temperaturmanagement für die Schaltungsanordnung 1 realisiert. Auf diese Weise können die beiden Spannungsquellen Schaltnetzteil 4 und wiederaufladbarer Batteriespeicher 5 auch in ihrem jeweiligen Grenzbereich betrieben werden, wobei aber beim Überschreiten bestimmter Grenzwerte oder Schwellwerte eine automatische Leistungsreduzierung eingeleitet werden kann um einen stabilen Temperaturzustand wieder herstellen zu können. Gegebenenfalls kann auch die gesamte Schaltungsanordnung 1 deaktiviert bzw. abgeschaltet werden.The temperature behavior of the two voltage sources, switched-mode power supply 4 and rechargeable battery store 5, is monitored via a temperature sensor 12 connected to switch-mode power supply 4 and a temperature sensor 13 connected to rechargeable battery store 5, thereby realizing active temperature management for circuit arrangement 1. In this way, the two voltage sources switched-mode power supply 4 and rechargeable battery storage 5 can also be operated in their respective limit ranges, but if certain limit values or threshold values are exceeded, an automatic power reduction can be initiated in order to be able to restore a stable temperature condition. If necessary, the entire circuit arrangement 1 can also be deactivated or switched off.

Des Weiteren ist ein Monitor bzw. Display 14 vorgesehen, das zur Darstellung und zur Anzeige von bestimmten aktuellen Systemeigenschaften der Schaltungsanordnung 1 und auch zur Anzeige der aktuellen Werte von bestimmten Schaltungskomponenten der Schaltungsanordnung 1 sowie zur Menüführung beim Betrieb der elektrochemischen Reinigungseinrichtung 2 bzw. der Schaltungsanordnung 1 dient. Weiterhin kann durch entsprechende Darstellungen auf dem Display 14 auch eine Kontrolle bzw. Überwachung des Ablaufs des Reinigungsprozesses des Werkstücks 3 durch einen Bediener erfolgen.Furthermore, a monitor or display 14 is provided, which is used to display and display certain current system properties of the circuit arrangement 1 and also to display the current values of certain circuit components of the circuit arrangement 1 and for menu navigation when operating the electrochemical cleaning device 2 or the circuit arrangement 1 serves. Furthermore, an operator can check or monitor the course of the cleaning process of the workpiece 3 by corresponding representations on the display 14 .

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 202014106289 U1 [0002]
EP 1403952 B1 [0003]
DE 102011077485 A1 [0004]
DE 102007025625 A1 [0005]
DE 102014200464 A1 [0006]

Claims

Circuit arrangement (1) for supplying voltage to an electrochemical cleaning device (2), with a switched-mode power supply (4) connected to an external voltage source with an input voltage (UE) and with a rechargeable battery store (5), the circuit arrangement (1) having a switched-mode power supply ( 4) and the rechargeable battery store (5), which controls the switched-mode power supply (4) and the rechargeable battery store (5) in such a way that at least when the electrochemical cleaning device (2) is switched on, the voltage supply to the electrochemical cleaning device (2) can be provided from the switched-mode power supply (4) and the rechargeable battery store (5), and that in normal operation of the electrochemical cleaning device (2) the power supply for the electrochemical cleaning device (2) from the switched-mode power supply (4) and a charging voltage for the rechargeable battery store (5) can be provided by the switching power supply (4).

Circuit arrangement (1) after claim 1 , characterized in that the voltage distribution unit (7) controls the switched-mode power supply (4) and the rechargeable battery store (5) in such a way that the switched-mode power supply (4) is protected against overload.

Circuit arrangement (1) after claim 1 or 2 , characterized in that a DC / AC converter (6) with a voltage and current control between the voltage distribution unit (7) and the electrochemical cleaning device (2) is arranged.

Circuit arrangement (1) according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that a battery management system (10) between the voltage distribution unit (7) and the rechargeable battery storage (5) is arranged, which monitors the state of charge of the rechargeable battery storage (5).

Circuit arrangement (1) according to one of Claims 1 until 4 , characterized in that a Hall sensor (11) is arranged between the voltage distribution unit (7) and the rechargeable battery store (5), which monitors the flow of energy into the rechargeable battery store (5) and out of the rechargeable battery store (5).

Circuit arrangement (1) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that a control unit (9) for monitoring the circuit components of the circuit arrangement (1) and for sequence control of the circuit arrangement (1) is provided.

Circuit arrangement (1) according to one of Claims 1 until 6 , characterized in that at least one temperature sensor (12,13) is provided for monitoring the temperature behavior of the circuit arrangement (1).

Circuit arrangement (1) after claim 7 , characterized in that a temperature sensor (12) is coupled to the switched-mode power supply (4) and a temperature sensor (13) to the rechargeable battery store (5).

Circuit arrangement (1) according to one of Claims 1 until 8th , characterized in that the switching power supply (4) is designed as a compact standard component with a voltage range for the input voltage (UE) between 90 V and 250 V.