WO2014140010A1 - Vorrichtung zur stabilisierenden versorgung eines verbrauchers - Google Patents

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WO2014140010A1
WO2014140010A1 PCT/EP2014/054698 EP2014054698W WO2014140010A1 WO 2014140010 A1 WO2014140010 A1 WO 2014140010A1 EP 2014054698 W EP2014054698 W EP 2014054698W WO 2014140010 A1 WO2014140010 A1 WO 2014140010A1
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converter
buffer memory
consumer
input
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PCT/EP2014/054698
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Thomas MITTERMAIER
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • H02J7/007182—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery voltage

Definitions

  • the invention relates to a device for stabilizing supply of a consumer supplied in normal operation from an energy storage device from a buffer memory.
  • the device relates to the stabilizing supply of a consumer, which is connected to a vehicle electrical system.
  • the stabilizing supply of consumers e.g. Temporarily existing in a vehicle measurement technology is done by providing a buffer battery or a buffer capacitor as a buffer memory. Due to the high capacity and the short-term achievable high currents, both in an energy extraction and for charging, usually electrochemical capacitors in the form of so-called.
  • Supercapacitors also referred to as Ultracap or Supercap
  • the buffer memory is intended to ensure that the consumer does not unexpectedly fail or show undefined behavior when the voltage provided by the energy store falls below a minimum voltage necessary for the operation of the consumer.
  • the buffer is usually dimensioned so that a short-term operation of the consumer is possible, so that it can bring in a defined state or can be brought into a defined state.
  • the energy storage device in this vehicle-facing example may be a vehicle battery whose voltage supplied to a supply terminal may fluctuate due to dynamic events in the vehicle. In principle, however, this problem can occur in other applications. For the sake of simplicity, this application will refer to an application in a vehicle, but this application is to be considered as limiting.
  • the buffer memory In order to prevent that when falling below the minimum voltage required for the operation of the consumer, other components are supplied from the buffer memory, which would greatly reduce the time for the stabilizing supply to the consumer, is between a node to which the consumer and the buffer memory are connected, and the energy storage or other components provided a diode.
  • the presence of the diode entails that by the voltage drop unwanted power loss (heat) is caused, which should be avoided in principle.
  • the through the buffer memory the consumer adjustable voltage swing reduced by the voltage drop across the diode. Due to the necessary minimum voltage of the consumer, therefore, only a small working range of the buffer memory can be used.
  • a DC-DC converter can also be arranged between the mentioned node and the energy store. Through this, the voltage provided by the energy store voltage (usually) up (step-up) converted, whereby the working range of the buffer memory can be increased. In operation, however, the DC-DC converter also causes a constant power dissipation, which is given off as heat.
  • the invention relates to a device for the stabilizing supply of a consumer supplied from an energy store in normal operation from a buffer memory which comprises a DC-DC converter, a plurality of controllable switching elements and a control unit for controlling the switching state of the plurality of controllable switching elements as a function of an input voltage of the device.
  • the device is designed to supply the consumer in normal operation, bypassing components having power loss directly from the energy store, when the input voltage is greater than a predetermined first limit voltage, wherein the first limit voltage is a minimum voltage of the consumer to supply it.
  • the device is further configured to supply the load via the DC voltage converter fed from the energy store when the input voltage drops below the first predetermined limit voltage, wherein the DC-DC converter converts the input voltage to an operating voltage of the load. Only then, when the minimum voltage of the consumer can no longer be provided by the energy storage, the DC-DC converter is activated. This is initially fed from the energy store, so that the buffer memory for stabilizing the supply of the consumer does not yet need to be activated. This thus makes it possible to postpone the activation of the buffer memory in time.
  • the apparatus is further configured to feed the DC-DC converter from the buffer memory when the input voltage decreases below a second predetermined threshold voltage until a buffer memory voltage reaches the second predetermined threshold voltage, the second predetermined threshold voltage being a minimum voltage of the DC-DC converter for operation thereof.
  • the buffer memory is thus connected by the device via the DC-DC converter to the consumer. In this case, this connection only takes place when the voltage provided by the energy store is no longer high enough to operate the DC-DC converter.
  • the proposed device thus enables a later Entladebeginn the buffer memory, which allows a longer supply to the consumer. Furthermore, the buffer memory can be discharged deeper compared to the known solutions, which also allows a longer supply to the consumer. Further, the buffer memory can be charged due to the non-existent diode to a higher voltage, which also brings an increased voltage swing with it and allows a further longer supply to the consumer.
  • the consumer operated with this device is optimally stabilized independently of fluctuations or failures of the energy store. In normal operation, no power loss occurs. Furthermore, no critical consumer voltage states can arise.
  • the device may comprise a controllable third switching element, via which the consumer can be connected directly to the energy store, whereby the consumer can be supplied from the energy store in normal operation, bypassing components having power loss. As a result, the heat development of the device is minimal.
  • the device may comprise a controllable fourth switching element, which is connected between an output of the DC-DC converter and an output of the device, wherein the DC-DC converter via the fourth switching element is connectable to the consumer. If the fourth switching element is closed, then the third switching element is opened, so that the direct connection between the consumer and the energy store is disconnected.
  • the device may comprise a controllable first switching element which is connected between an input of the DC-DC converter and an input of the device, wherein the DC voltage converter is connectable to the energy store via the first switching element, whereby the load can be supplied via the DC voltage converter fed from the energy store, if the input voltage drops below the first predetermined threshold voltage.
  • the device may comprise a controllable second switching element, which is connected between the input of the DC-DC converter and a connection for the buffer memory, whereby the load is supplied via the DC-converter fed from the buffer memory, when the input voltage drops below the second predetermined threshold voltage.
  • the device may be configured in such a way that the first and the second switching element do not have the same switching state in a regulating operation, wherein the regulating operation comprises all operating states with the exception of a safety shutdown in which all switching elements of the device are switched off.
  • the regulating operation comprises all operating states with the exception of a safety shutdown in which all switching elements of the device are switched off. This means that when the first switching element is closed, the second switching element is opened, and vice versa.
  • This ensures that either only the energy storage or the buffer memory is connected to the input of the DC-DC converter. This can be ensured by appropriate control of the two Schaitiata or by a circuit provided as hardware, so that the first and the second switching element can be put into the corresponding switching state with only one control signal.
  • the device may comprise a controllable fifth switching element connected between the output of the DC-DC converter and the connection for the buffer memory, whereby the buffer memory can be charged.
  • the fifth switching element can be closed at given intervals if the consumer is not supplied with energy.
  • the fifth switch element can be closed at given intervals if the load is not supplied with power via the DC-DC converter, but directly from the energy store.
  • the fifth switching element can be closed at given intervals when the load is supplied with power via the DC-DC converter. It is understood that if the buffer memory is to be charged by the closing of the fifth switching element, then the connection between the input of the DC-DC converter and the input of the device must be closed so that the DC-DC converter is energized. In other words, this means that the first switching element must be closed.
  • control of the switching elements is performed by the control unit. This means that they must be supplied to perform this task with voltage.
  • the control unit from the input of the device or from the buffer memory is supplied with voltage.
  • the control unit may be configured to detect the input voltage.
  • the control unit may be designed to detect the output voltage of the DC-DC converter.
  • the control unit can be designed to detect the voltage of the buffer memory metrologically. Depending on at least one of these voltages, the control unit may be designed to determine the switching states (closed or open) of the switching elements, ie of the first to fifth switching elements.
  • the buffer memory may be an electrochemical capacitor, such as a supercapacitor or ultracapacitor. These have a high energy density and the ability to charge and discharge quickly.
  • the buffer memory can be dimensioned so that this, after the start of discharge, a supply of the consumer for about one minute. Basically, the size of the buffer memory must be adapted to the respective application.
  • the buffer memory may be part of the device.
  • the buffer memory may also be a separate component from the device.
  • Fig. 1 shows a circuit arrangement which shows a device according to the invention for the stabilizing supply of a consumer supplied in normal operation from an energy storage device from a buffer memory, and
  • Fig. 2 is a table illustrating the various operating states of the device.
  • Fig. 1 shows a circuit arrangement of an energy storage device 10, a consumer to be supplied 20 and a device 30 for stabilizing supply to the consumer.
  • the device 30 for stabilizing supply of the consumer will hereinafter be referred to as a voltage stabilizing device.
  • the consumer 20, e.g. a temporarily used measuring device is in normal operation from the energy storage 10, e.g. a vehicle battery, supplied.
  • the normal operation is characterized in that the voltage applied to a battery terminal 11 of the energy storage device 10 is greater than a voltage necessary for the operation of the consumer 20 minimum voltage.
  • the voltage stabilization device 30 has an input 31 and an output 32.
  • the energy storage 10 is connected with its battery terminal to the input 31 (IN).
  • a supply input 21 of the load 20 is connected to the output 32 (OUT).
  • a buffer memory 40 is connected to an input 33 of the voltage stabilizer. s mecanicsvoriques 30 connected. With its other connection, the buffer memory is connected to a reference potential.
  • the buffer memory 40 is an electrochemical capacitor, ie a so-called supercapacitor (SuperCap) or ultracapacitor
  • the buffer memory 40 is not a component of the voltage stabilization device 30. In an alternative embodiment, the buffer memory could also be part of the voltage stabilization device 30.
  • the voltage stabilization device 30 comprises a control unit 34, a DC voltage converter 35 and five controllable switching elements S1 to S5.
  • the switching elements S1, .., S5 are e.g. Semiconductor switching elements, such as e.g. MOSFETs. Other types of switching elements may be used.
  • the respective switching state (conducting or blocking) of the switching elements S1, S5 is controlled by the control unit 34. In the following description of FIG. 2, a switched-on switching element with "1", a switched-off switching element is marked with "0".
  • the control unit 34 further has means for metrological detection of different voltages U1, U2, U3 in the interior of the voltage stabilization device 30.
  • control unit 34 is optionally further connected to the control of the DC-DC converter 35 (control signal s4).
  • the control unit 34 is supplied from the buffer memory 40 via a supply input 38 of the voltage stabilization device 30, to which the buffer memory 40 is connected.
  • DC-DC converter DC / DC converter
  • boost converter may be used as DC-DC converter.
  • a first switching element S1 is connected between the input 31 of the voltage stabilization device 30 and an input 36 of the DC-DC converter 35.
  • the first switching element S1 is thus connected to a terminal with the supply terminal 11 of the energy storage device 10.
  • a second switching element S2 is connected between the input 33 voltage stabilizing device 30 and the input 36 of the DC-DC converter 35.
  • the second switching element S2 is thus connected to the buffer memory 40 with one connection.
  • a third switching element S3 is connected between the input 31 of the voltage stabilization device 30 and the output 32 of the voltage stabilization device 30.
  • the third switching element S3 can thereby a direct connection, ie a compound without power dissipating components, between the energy storage 10 and the consumer 20 produce.
  • a fourth switching element S4 is connected between the output 37 of the DC-DC converter 35 and the output 32 of the voltage stabilizing device 30, so that the DC voltage converter 35 can be connected to the load 20 via the fourth switching element S4.
  • a fifth switching element S5 is connected between the output 37 of the DC-DC converter 35 and the input 33 of the voltage stabilization device 30, whereby the DC-DC converter 35 is connectable to the buffer memory 40.
  • the control device 34 detects the input voltage U1 of the voltage stabilization device 30, the signal representing the voltage U1 being identified by m1.
  • the voltage U1 corresponds to the voltage at the input 31 of the voltage stabilization device 30 and thus the voltage applied to the supply terminal 11 voltage.
  • the output voltage U2 is detected by the control device 34 at the output 37 of the DC-DC converter.
  • the signal representing the voltage U2 is marked with m2.
  • the voltage U3 is detected by the control device 34, the signal representing the voltage U3 being identified by m3.
  • the voltage U3 thus corresponds to the voltage of the buffer memory 40.
  • a first limit voltage Ugs1 is defined by a minimum voltage necessary for the operation of the load 20, if necessary, plus a safety margin. The first limit voltage may be about 10 V, assuming that the load 20 can be operated with a voltage between 9 and 16V.
  • a second limit voltage Ugs2 is defined by a minimum voltage necessary for the operation of the DC-DC converter 35, if necessary. Plus a safety margin. The second limit voltage Ugs2 is dependent on the realization of the DC-DC converter 35 and may be about 5 V. In the exemplary embodiment shown, it is assumed that the DC-DC converter 35 is operated with input voltages between 5 and 16V can be. On the output side, the DC-DC converter 35 should be able to provide a voltage between 10 and 16V.
  • the load 20 is not supplied with a voltage ("output OFF") and the buffer memory 40 is charged via the energy store 10 ("charge buffer”).
  • the switching elements S1 and S5 are turned on (“1") and the switching elements S2, S3 and S4 are switched off (“0").
  • the voltage U1 depends on the voltage provided by the energy store 10 and can assume voltages between 5 and 16V, which corresponds to the operating range of the DC-DC converter 35, via which the buffer memory 40 is charged. Since there the goal is to charge the buffer memory 40 to the maximum possible capacity, the maximum output voltage U2 is generated by the DC-DC converter. U2 and U3 are therefore 16V.
  • the normal operation of the voltage stabilizing device 30 is shown in the table of Fig. 2 in line No. 2.
  • the load 20 is supplied with voltage ("output ON") from the energy store 10, for which purpose the switching element S3 is to be turned on Consumer 20, the operation of the DC-DC converter is not necessary ("without operation of the DC-DC converter”).
  • the DC-DC converter 35 in conjunction with a Leitend switching ("1") of the switching elements S1 and S5 must be operated at predetermined intervals.
  • the switching elements S2 and S4 are always disabled ("0") in normal operation.
  • the voltage U1 For normal operation, the voltage U1 must be greater than the first limit voltage Ugs1, that is greater than the voltage required for the operation of the load 20. The voltage U1 can therefore move in a range between 10 and 16V.
  • the voltage U1 For the trickle charge of the buffer memory 40 is supplied with the maximum possible output voltage of the DC-DC converter 35, ie U2 and U3 are 16V. 2 shows a "stabilizing normal operation" of the voltage stabilizing device 30. In this stabilizing normal operation, the load 20 from the energy store 10 is supplied with voltage ("output ON via DC-DC converter"), although the Voltage U1 has fallen below the voltage required for the operation of the load 20, ie U1 is smaller than the first limit voltage Ugs1.
  • the supply of the load is now via the DC-DC converter 35, which is fed from the energy storage 10, under the condition that the voltage U1 is greater than the second threshold voltage Ugs2, ie greater than the minimum input voltage of the DC-DC converter 35.
  • U1 must therefore between 5 and 10V are.
  • the switching element S3 blocking (“0") is switched to separate the direct connection between the consumer 20 and energy storage 10.
  • the switching element S2 is turned off (“0") because no supply is made from the buffer memory 40.
  • the switching elements S1 and S4 are turned on (“1") to enable the supply via the DC-DC converter 35.
  • the voltage U2 provided by the DC-DC converter 35 is between 10 and 16V. Assuming that before the "stabilizing normal operation", the voltage has not dropped abruptly but gradually below 10V, in order to avoid voltage jumps, the voltage U2 can be regulated to 10 V. If a voltage jump is tolerable for the consumer, The voltage U2 can also be regulated to 16 V. Likewise, the voltage U2 can be continuously increased in a ramp from 10 V to 16 V. Corresponding control takes place by means of the signal S1 by the control unit 34. A trickle charge of the buffer memory 40 takes place in the stabilizing normal operation in this exemplary embodiment not taking place, ie the switching element S5 is switched off ("0"). The voltage U3 thus corresponds to the voltage of the buffer memory 40, which was previously charged to 16V. In a variant, a trickle charge as described above could also be carried out in the stabilizing normal mode.
  • the load 20 is no longer supplied with power from the energy store 10 but from the buffer memory 40 ("output ON via buffer memory "), since the voltage U1 is subtracted below the voltage required for the operation of the DC-DC converter 35. sunken, ie U1 is less than the second limit voltage Ugs2. U1 is thus less than 5V.
  • the supply of the load via the DC-DC converter 35 which is fed from the buffer memory 40.
  • the switching element S1, S3 and S5 are switched off (“0"), while the switching elements S2 and S4 are turned on (“1").
  • the stabilizing buffer operation is possible as long as the voltage U3 of the buffer memory 40 is greater than the minimum voltage required for the operation of the DC-DC converter 35, i. U3 must be greater than the second limit voltage Ugs2 and therefore greater than 5V.
  • the voltage U2 provided by the DC-DC converter 35 may be between 10 and 16V.
  • the voltage U2 can be regulated to 10V. If the consumer 20 was previously operated with 10V and a voltage jump for the consumer 20 is tolerable, the voltage can also be regulated to 16V. Likewise, in this case, the voltage U2 can be continuously increased in a ramp from 10V to 16V.
  • a corresponding control is carried out by means of the signal s1 by the control unit 34.
  • a trickle charge of the buffer memory 40 does not take place in the stabilizing emergency operation in this embodiment, ie. the switching element S5 is switched off ("0").
  • the proposed device 30 thus allows a later discharge start of the buffer memory 40, which allows a longer supply of the load 20. Furthermore, the buffer memory 40 can be discharged much lower to a minimum voltage for the operation of the DC-DC converter and thus compared to the known solutions, which also allows a longer supply to the load 20. Further, the buffer memory 40 can be charged to a maximum possible voltage which in addition brings with it an increased voltage swing and allows a further prolonged supply to the load 20. Each measure individually and in combination brings a maximized buffer performance of the buffer memory 40 with it.
  • the consumer operated with this device is optimally stabilized independently of fluctuations or failures of the energy store. In normal operation, no power loss occurs. Furthermore, no critical consumer voltage states can arise.
  • m1 measuring signal which represents the input voltage U1 of the device at the input 31

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (30) zur stabilisierenden Versorgung eines im Normalbetrieb aus einem Energiespeicher (10) versorgten Verbrauchers (20) aus einem Pufferspeicher (40). Die Vorrichtung (30) umfasst einen Gleichspannungswandler (35), eine Mehrzahl von steuerbaren Schaltelementen (S1,.., S5) und eine Steuereinheit (34) zur Steuerung des Schaltzustands (1; 0) der Mehrzahl an steuerbaren Schaltelementen (S1,.., S5) in Abhängigkeit einer Eingangsspannung (U1) der Vorrichtung (30). Die Vorrichtung (30) ist dazu ausgebildet, a) den Verbraucher (20) im Normalbetrieb unter Umgehung von Verlustleistung aufweisenden Komponenten direkt aus dem Energiespeicher (10) zu versorgen, wenn die Eingangsspannung (U1) größer als eine vorgegebene erste Grenzspannung (Ugs1) ist, wobei die erste Grenzspannung (Ugs1) eine Mindestspannung des Verbrauchers zu dessen Versorgung ist; b) den Verbraucher (20) über den aus dem Energiespeicher (10) gespeisten Gleichspannungswandler (35) zu versorgen, wenn die Eingangsspannung (U1) unter die erste vorgegebene Grenzspannung (Ugs1) sinkt, wobei der Gleichspannungswandler (35) die Eingangsspannung auf eine Betriebsspannung des Verbrauchers wandelt; und c) den Gleichspannungswandler (35) aus dem Pufferspeicher (40) zu speisen, wenn die Eingangsspannung unter eine zweite vorgegebene Grenzspannung (Ugs2) sinkt bis eine Spannung (U3) des Pufferspeichers (40) die zweite vorgegebene Grenzspannung (Ugs2) erreicht, wobei die zweite vorgegebene Grenzspannung (Ugs2) eine Mindestspannung des Gleichspannungswandlers (35) zu dessen Betrieb ist.

Description

Vorrichtung zur stabilisierenden Versorgung eines Verbrauchers
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur stabilisierenden Versorgung eines im Normalbetrieb aus einem Energiespeicher versorgten Verbrauchers aus einem Pufferspeicher. Insbesondere betrifft die Vorrichtung die stabilisierende Versorgung eines Verbrauchers, der an ein Fahrzeug-Bordnetz angeschlossen ist.
Die stabilisierende Versorgung von Verbrauchern, wie z.B. temporär in einem Fahrzeug vorhandene Messtechnik, erfolgt durch das Vorsehen einer Pufferbatterie oder eines Pufferkondensators als Pufferspeicher. Aufgrund der hohen Kapazität und der kurzfristig erzielbaren hohen Ströme, sowohl bei einer Energieentnahme als auch zum Aufladen, werden zumeist elektrochemische Kondensatoren in Form sog. Superkondensatoren (auch als Ultracap oder Supercap bezeichnet) als Pufferspeicher eingesetzt. Durch den Pufferspeicher soll sichergestellt werden, dass der Verbraucher bei einem Unterschreiten der durch den Energiespeicher bereitgestellten Spannung unterhalb eine für den Betrieb des Verbrauchers notwendige Mindestspannung nicht unerwartet ausfällt oder Undefiniertes Verhalten zeigt. Der Pufferspeicher wird in der Regel so dimensioniert, dass ein noch kurzzeitiger Betrieb des Verbrauchers ermöglicht wird, so dass dieser sich in einen definierten Zustand bringen kann oder in einen definierten Zustand gebracht werden kann. Der Energiespeicher kann in diesem auf Fahrzeuge gerichteten Beispiel eine Fahrzeugbatterie sein, deren an einer Versorgungsklemme bereit gestellte Spannung aufgrund dynamischer Vorgänge in dem Fahrzeug schwanken kann. Grundsätzlich kann diese Problematik aber bei anderen Anwendungen auftreten. Der Einfachheit halber wird in der vorliegenden Beschreibung auf eine Anwendung in einem Fahrzeug Bezug genommen, wobei diese Anwendung jedoch einschränkend betrachtet werden soll.
Um zu verhindern, dass bei einem Unterschreiten der für den Betrieb des Verbrauchers notwendigen Mindestspannung auch andere Komponenten aus dem Pufferspeicher versorgt werden, was die Zeit für die stabilisierende Versorgung des Verbrauchers stark verkürzen würde, wird zwischen einem Knotenpunkt, an den der Verbraucher und der Pufferspeicher angeschlossen sind, und dem Energiespeicher bzw. den anderen Komponenten eine Diode vorgesehen. Das Vorhandensein der Diode bringt es mit sich, dass durch den Spannungsabfall ungewollte Verlustleistung (Wärme) verursacht wird, welche grundsätzlich vermieden werden sollte. Ferner wird der durch den Pufferspeicher dem Verbraucher bereitstellbare Spannungshub um die an der Diode abfallende Spannung reduziert. Aufgrund der notwendigen Mindestspannung des Verbrauchers kann daher nur ein geringer Arbeitsbereich des Pufferspeichers genutzt werden.
Um die dem Verbraucher unabhängig von der Spannung des Energiespeichers eine Spannung konstanter Höhe bereit stellen zu können, kann zwischen dem erwähnten Knotenpunkt und dem Energiespeicher auch ein Gleichspannungswandler angeordnet werden. Durch diesen wird die von dem Energiespeicher bereit gestellte Spannung (in der Regel) nach oben (step-up) gewandelt, wodurch der Arbeitsbereich des Pufferspeichers erhöht werden kann. Im Betrieb verursacht der Gleichspannungswandler jedoch auch eine ständige Verlustleistung, die als Wärme abgegeben wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine baulich und/oder funktional verbesserte Vorrichtung zur stabilisierenden Versorgung eines im Normalbetrieb aus einem Energiespeicher versorgten Verbrauchers aus einem Pufferspeicher anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Es wird eine Vorrichtung zur stabilisierenden Versorgung eines im Normalbetrieb aus einem Energiespeicher versorgten Verbrauchers aus einem Pufferspeicher vorgeschlagen, die einen Gleichspannungswandler, eine Mehrzahl von steuerbaren Schaltelementen und eine Steuereinheit zur Steuerung des Schaltzustands der Mehrzahl an steuerbaren Schaltelementen in Abhängigkeit einer Eingangsspannung der Vorrichtung umfasst.
Die Vorrichtung ist dazu ausgebildet, den Verbraucher im Normalbetrieb unter Umgehung von Verlustleistung aufweisenden Komponenten direkt aus dem Energiespeicher zu versorgen, wenn die Eingangsspannung größer als eine vorgegebene erste Grenzspannung ist, wobei die erste Grenzspannung eine Mindestspannung des Verbrauchers zu dessen Versorgung ist. Hierdurch kann der Verbraucher, sofern eine Stabilisierung seiner Versorgung nicht notwendig ist, mit minimierten Verlusten der Spannungsstabilisierungsvorrich- tung betrieben werden. Die Vorrichtung ist weiter dazu ausgebildet, den Verbraucher über den aus dem Energiespeicher gespeisten Gleichspannungswandler zu versorgen, wenn die Eingangsspannung unter die erste vorgegebene Grenzspannung sinkt, wobei der Gleichspannungswandler die Eingangsspannung auf eine Betriebsspannung des Verbrauchers wandelt. Erst dann, wenn die Mindestspannung des Verbrauchers durch den Energiespeicher nicht mehr bereitgestellt werden kann, wird der Gleichspannungswandler aktiviert. Dieser wird zunächst aus dem Energiespeicher gespeist, so dass der Pufferspeicher zur Stabilisierung der Versorgung des Verbrauchers noch nicht aktiviert werden muss. Dies ermöglicht somit, die Aktivierung des Pufferspeichers zeitlich nach hinten zu verschieben.
Die Vorrichtung ist ferner dazu ausgebildet, den Gleichspannungswandler aus dem Pufferspeicher zu speisen, wenn die Eingangsspannung unter eine zweite vorgegebene Grenzspannung sinkt bis eine Spannung des Pufferspeichers die zweite vorgegebene Grenzspannung erreicht, wobei die zweite vorgegebene Grenzspannung eine Mindestspannung des Gleichspannungswandlers zu dessen Betrieb ist. Der Pufferspeicher wird somit durch die Vorrichtung über den Gleichspannungswandler mit dem Verbraucher verbunden. Dabei erfolgt diese Verbindung erst dann, wenn die von dem Energiespeicher bereitgestellte Spannung nicht mehr hoch genug ist, den Gleichspannungswandler zu betreiben.
Die vorgeschlagene Vorrichtung ermöglicht somit einen späteren Entladebeginn des Pufferspeichers, was eine längere Versorgung des Verbrauchers ermöglicht. Ferner kann der Pufferspeicher im Vergleich zu den bekannten Lösungen tiefer entladen werden, was ebenfalls eine längere Versorgung des Verbrauchers ermöglicht. Weiter kann der Pufferspeicher aufgrund der nicht vorhandenen Diode auf eine höhere Spannung aufgeladen werden, was zusätzlich einen vergrößerten Spannungshub mit sich bringt und eine weiter längere Versorgung des Verbrauchers ermöglicht. Jede Maßnahme bringt einzeln für sich sowie im Verbund eine maximierte Pufferleistung des Pufferspeichers mit sich.
Im Ergebnis wird der mit dieser Vorrichtung betriebene Verbraucher unabhängig von Schwankungen oder Ausfällen des Energiespeichers optimal stabilisiert. Im Normalbetrieb entsteht keine Verlustleistung. Ferner können keine kritischen Verbraucherspannungszu- stände entstehen. Die Vorrichtung kann ein steuerbares drittes Schaltelement umfassen, über das der Verbraucher direkt mit dem Energiespeicher verbindbar ist, wodurch der Verbraucher im Normalbetrieb unter Umgehung von Verlustleistung aufweisenden Komponenten aus dem Energiespeicher versorgbar ist. Hierdurch ist die Wärmeentwicklung der Vorrichtung minimal.
Die Vorrichtung kann ein steuerbares viertes Schaltelement umfassen, das zwischen einem Ausgang des Gleichspannungswandlers und einem Ausgang der Vorrichtung verschaltet ist, wobei über das vierte Schaltelement der Gleichspannungswandler mit dem Verbraucher verbindbar ist. Ist das vierte Schaltelement geschlossen, so ist das dritte Schaltelement geöffnet, so dass die direkte Verbindung zwischen dem Verbraucher und dem Energiespeicher getrennt ist.
Die Vorrichtung kann ein steuerbares erstes Schaltelement umfassen, das zwischen einem Eingang des Gleichspannungswandlers und einem Eingang der Vorrichtung verschaltet ist, wobei über das erste Schaltelement der Gleichspannungswandler mit dem Energiespeicher verbindbar ist, wodurch der Verbraucher über den aus dem Energiespeicher gespeisten Gleichspannungswandler versorgbar ist, wenn die Eingangsspannung unter die erste vorgegebene Grenzspannung sinkt.
Die Vorrichtung kann ein steuerbares zweites Schaltelement umfassen, das zwischen dem Eingang des Gleichspannungswandlers und einem Anschluss für den Pufferspeicher verschaltet ist, wodurch der Verbraucher über den aus dem Pufferspeicher gespeisten Gleichspannungswandler versorgbar ist, wenn die Eingangsspannung unter die zweite vorgegebene Grenzspannung sinkt.
Die Vorrichtung kann derart ausgebildet sein, dass das erste und das zweite Schaltelement in einem Regelbetrieb nicht den gleichen Schaltzustand aufweisen, wobei der Regelbetrieb alle Betriebszustände mit Ausnahme einer Sicherheitsabschaltung, bei der alle Schaitelemente der Vorrichtung sperrend geschaltet sind, umfasst. Dies bedeutet, wenn das erste Schaltelement geschlossen ist, ist das zweite Schaltelement geöffnet, und umgekehrt. Hierdurch ist sichergestellt, dass entweder nur der Energiespeicher oder der Pufferspeicher mit dem Eingang des Gleichspannungswandlers verbunden ist. Sichergestellt werden kann dies durch entsprechende Ansteuerung der beiden Schaitelemente oder durch eine als Hardware vorgesehene Schaltung, so dass das erste und das zweite Schaltelement mit nur einem Steuersignal in den entsprechenden Schaltzustand versetzt werden können.
Die Vorrichtung kann ein steuerbares fünftes Schaltelement umfassen, das zwischen dem Ausgang des Gleichspannungswandlers und dem Anschluss für den Pufferspeicher verschaltet ist, wodurch der Pufferspeicher geladen werden kann. Das fünfte Schaltelement kann in gegebenen Abständen geschlossen werden, wenn der Verbraucher nicht mit Energie versorgt wird. Das fünfte Schalteiement kann in gegebenen Abständen geschlossen werden, wenn der Verbraucher nicht über den Gleichspannungswandler, sondern direkt aus dem Energiespeicher mit Energie versorgt wird. Das fünfte Schaltelement kann in gegebenen Abständen geschlossen werden, wenn der Verbraucher über den Gleichspannungswandler mit Energie versorgt wird. Es versteht sich, dass dann, wenn der Pufferspeicher durch das Schließen des fünften Schaltelements geladen werden soll, auch die Verbindung zwischen dem Eingang des Gleichspannungswandlers und dem Eingang der Vorrichtung geschlossen sein muss, damit der Gleichspannungswandler mit Energie versorgt wird. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass auch das erste Schaltelement geschlossen sein muss.
Die Steuerung der Schaltelemente erfolgt durch die Steuereinheit. Dies bedeutet, dass diese zur Durchführung dieser Aufgabe mit Spannung versorgt sein muss. Hierzu wird die Steuereinheit aus dem Eingang der Vorrichtung oder aus dem Pufferspeicher mit Spannung versorgt. Somit ist gewährleistet, dass die Steuereinheit sowohl bei erstmaligem Betrieb und noch leerem Pufferspeicher als auch bei leerem Energiespeicher und Pufferbetrieb bis zuletzt funktioniert.
Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, die Eingangsspannung zu erfassen. Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers zu erfassen. Die Steuereinheit kann dazu ausgebildet sein, die Spannung des Pufferspeichers messtechnisch zu erfassen. Abhängig von wenigstens einer dieser Spannungen kann die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, die Schaltzustände (geschlossen oder offen) der Schaltelemente, d.h. des ersten bis fünften Schaltelements, zu bestimmen. Der Pufferspeicher kann ein elektrochemischer Kondensator, wie z.B. ein Superkonden- sator oder Ultrakondensator, sein. Diese weisen eine hohe Energiedichte und die Möglichkeit zur schnellen Ladung und Entladung auf. Der Pufferspeicher kann so dimensioniert sein, dass dieser, nach Beginn dessen Entladung, eine Versorgung des Verbrauchers für etwa eine Minute ermöglicht. Grundsätzlich ist die Größe des Pufferspeichers der jeweiligen Anwendung anzupassen.
Der Pufferspeicher kann Bestandteil der Vorrichtung sein. Der Pufferspeicher kann auch ein von der Vorrichtung getrenntes Bauteil sein.
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung, die eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur stabilisierenden Versorgung eines im Normalbetrieb aus einem Energiespeicher versorgten Verbrauchers aus einem Pufferspeicher zeigt, und
Fig. 2 eine Tabelle, die die verschiedenen Betriebszustände der Vorrichtung illustriert.
Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung eines Energiespeichers 10, eines zu versorgenden Verbrauchers 20 und einer Vorrichtung 30 zur stabilisierenden Versorgung des Verbrauchers. Die Vorrichtung 30 zur stabilisierenden Versorgung des Verbrauchers wird nachfolgend als Spannungsstabilisierungsvorrichtung bezeichnet. Der Verbraucher 20, z.B. eine temporär verwendete Messeinrichtung, wird im Normalbetrieb aus dem Energiespeicher 10, z.B. einer Fahrzeugbatterie, versorgt. Der Normalbetrieb ist dadurch gekennzeichnet, dass die an einer Batterieklemme 11 des Energiespeichers 10 anliegende Spannung größer als einer für den Betrieb des Verbrauchers 20 notwendige Mindestspannung ist.
Die Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 weist einen Eingang 31 und einen Ausgang 32 auf. Der Energiespeicher 10 ist mit seiner Batterieklemme an den Eingang 31 (IN) angeschlossen. Ein Versorgungseingang 21 des Verbrauchers 20 ist mit dem Ausgang 32 (OUT) verbunden. Ein Pufferspeicher 40 ist mit einem Eingang 33 der Spannungsstabiii- sierungsvorrichtung 30 verbunden. Mit seinem anderen Anschluss ist der Pufferspeicher mit einem Bezugspotenzial verbunden. Der Pufferspeicher 40 ist ein elektrochemischer Kondensator, d.h. ein sog. Superkondensator (SuperCap) oder Ultrakondensator
(UltraCap). In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Pufferspeicher 40 keine Komponente der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30. In einer alternativen Ausgestaltung könnte der Pufferspeicher auch Teil der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 sein.
Die Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 umfasst eine Steuereinheit 34, einen Gleichspannungswandler 35 sowie fünf steuerbare Schaltelemente S1 bis S5. Die Schaltelemente S1 , .., S5 sind z.B. Halbleiterschaltelemente, wie z.B. MOSFETs. Es können auch andere Schaltelementtypen zum Einsatz kommen. Der jeweilige Schaltzustand (leitend oder sperrend) der Schaltelemente S1 , S5 wird durch die Steuereinheit 34 gesteuert. In der nachfolgenden Beschreibung der Fig. 2 ist ein leitend geschaltetes Schaltelement mit„1", ein sperrend geschaltetes Schaltelement mit„0" gekennzeichnet. Die Steuereinheit 34 verfügt ferner über Mittel zur messtechnischen Erfassung verschiedener Spannungen U1 , U2, U3 im Inneren der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30. Diese Mittel könnten auch in einer separaten Messeinheit vorgesehen sein, wobei das Ergebnis der Messungen dann an die Steuereinheit 34 übertragen werden müsste. Die Steuereinheit 34 ist optional ferner zur Steuerung des Gleichspannungswandlers 35 mit diesem verbunden (Steuersignal s4). Die Steuereinheit 34 wird über einen Versorgungseingang 38 der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30, mit welchem der Pufferspeicher 40 verbunden ist, aus dem Pufferspeicher 40 mit Spannung versorgt. Als Gleichspannungswandler (DC/DC-Konverter) kann z.B. ein Aufwärtswandler verwendet werden.
Ein erstes Schaltelement S1 ist zwischen dem Eingang 31 der Spannungsstabilisierungs- vorrichtung 30 und einem Eingang 36 des Gleichspannungswandlers 35 verschaltet. Das erste Schaltelement S1 ist somit mit einem Anschluss mit der Versorgungsklemme 11 des Energiespeichers 10 verbunden. Ein zweites Schaltelement S2 ist zwischen dem Eingang 33 Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 und dem Eingang 36 des Gleichspannungswandlers 35 verschaltet. Das zweite Schaltelement S2 ist somit mit einem Anschluss mit dem Pufferspeicher 40 verbunden. Ein drittes Schaltelement S3 ist zwischen dem Eingang 31 der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 und dem Ausgang 32 der Span- nungsstabilisierungsvorrichtung 30 verschaltet. Das dritte Schaltelement S3 kann dadurch eine direkte Verbindung, d.h. eine Verbindung ohne Verlustleistung aufweisende Komponenten, zwischen dem Energiespeicher 10 und dem Verbraucher 20 herstellen. Ein viertes Schaltelement S4 ist zwischen dem Ausgang 37 des Gleichspannungswandlers 35 und dem Ausgang 32 der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 verschaltet, so dass über das vierte Schaltelement S4 der Gleichspannungswandler 35 mit dem Verbraucher 20 verbindbar ist. Ein fünftes Schaltelement S5 ist zwischen dem Ausgang 37 des Gleichspannungswandlers 35 und dem Eingang 33 der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 verschaltet, wodurch der Gleichspannungswandler 35 mit dem Pufferspeicher 40 verbindbar ist.
Durch die Steuervorrichtung 34 wird die Eingangsspannung U1 der Spannungsstabilisie- rungsvorrichtung 30 erfasst, wobei das die Spannung U1 repräsentierende Signal mit m1 gekennzeichnet ist. Die Spannung U1 entspricht der Spannung am Eingang 31 der Span- nungsstabilisierungsvorrichtung 30 und damit der an der Versorgungsklemme 11 anliegenden Spannung. Weiter wird durch die Steuervorrichtung 34 die Ausgangsspannung U2 am Ausgang 37 des Gleichspannungswandlers erfasst. Das die Spannung U2 repräsentierende Signal ist mit m2 gekennzeichnet. Schließlich wird durch die Steuervorrichtung 34 die Spannung U3 erfasst, wobei das die Spannung U3 repräsentierende Signal mit m3 gekennzeichnet ist. Die Spannung U3 entspricht damit der Spannung des Pufferspeichers 40.
Für die Steuerung der Schaltelemente S1 , .., S5 wird durch die Steuereinheit 34 zumindest die Spannung U1 verarbeitet, wobei hierzu ein Vergleich mit vorgegebenen Grenzspannungen (d.h. Schwellwerten, die in der Steuereinheit 34 hinterlegt sind) erfolgt. Eine erste Grenzspannung Ugs1 ist durch eine für den Betrieb des Verbrauchers 20 notwendige Mindestspannung, ggfs. zuzüglich einer Sicherheitsmarge, definiert. Die erste Grenzspannung kann bei ca. 10 V liegen, wenn man davon ausgeht, dass der Verbraucher 20 mit einer Spannung zwischen 9 und 16V betrieben werden kann. Eine zweite Grenzspannung Ugs2 ist durch eine für den Betrieb des Gleichspannungswandlers 35 notwendige Mindestspannung, ggfs. zuzüglich einer Sicherheitsmarge, definiert. Die zweite Grenzspannung Ugs2 ist abhängig von der Realisierung des Gleichspannungswandlers 35 und kann bei ca. 5 V liegen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass der Gleichspannungswandler 35 mit Eingangsspannungen zwischen 5 und 16V betrieben werden kann. Ausgangsseitig soll der Gleichspannungswandler 35 eine Spannung zwischen 10 und 16V bereitstellen können.
In einem Ladebetrieb der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 (Zeile Nr. 1 in der Tabelle der Fig. 2) wird der Verbraucher 20 nicht mit einer Spannung beaufschlagt („Ausgang AUS") und der Pufferspeicher 40 wird über den Energiespeicher 10 aufgeladen („Pufferspeicher aufladen"). Hierzu werden die Schaltelemente S1 und S5 leitend („1") und die Schaltelemente S2, S3 und S4 sperrend („0") geschaltet. Die Spannung U1 hängt von der vom Energiespeicher 10 bereitgestellten Spannung ab und kann Spannungen zwischen 5 und 16V annehmen, welche dem Betriebsbereich des Gleichspannungswandlers 35 entspricht, über den der Pufferspeicher 40 geladen wird. Da es da Ziel ist, den Pufferspeicher 40 bis zur maximal möglichen Kapazität aufzuladen, wird von dem Gleichspannungswandler die maximale Ausgangsspannung U2 erzeugt. U2 und U3 betragen daher 16V.
Der Normalbetrieb der Spannungsstabilisierungsvorrichtung 30 ist in der Tabelle der Fig. 2 in Zeile Nr. 2 dargestellt. Im Normalbetrieb wird der Verbraucher 20 aus dem Energiespeicher 10 mit Spannung versorgt („Ausgang EIN"), wozu das Schaltelement S3 leitend zu schalten ist. Aufgrund der direkten Verbindung des Verbrauchers 20 mit dem Energiespeicher 10 fällt eine minimale Verlustleistung an. Für die Versorgung des Verbrauchers 20 ist der Betrieb des Gleichspannungswandlers nicht notwendig („ohne Betrieb des Gleichspannungswandlers"). Lediglich für die optionale Erhaltungsladung des Pufferspeichers 40 („Pufferspeicher Erhaltungsladung") muss der Gleichspannungswandler 35 in Verbindung mit einem Leitendschalten („1") der Schaltelemente S1 und S5 in vorgegebenen Abständen betrieben werden. Die Schaltelemente S2 und S4 sind im Normalbetrieb immer sperrend („0") geschaltet.
Für den Normalbetrieb muss die Spannung U1 größer als die erste Grenzspannung Ugs1 , also größer als die für den Betrieb des Verbrauchers 20 erforderliche Spannung, sein. Die Spannung U1 kann sich daher in einem Bereich zwischen 10 und 16V bewegen. Für die Erhaltungsladung wird der Pufferspeicher 40 mit der maximal möglichen Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 35 beaufschlagt, d.h. U2 und U3 betragen 16V. In Zeile Nr. 3 der Tabelle in Fig. 2 ist ein„stabilisierender Normalbetrieb" der Spannungs- stabilisierungsvorrichtung 30 dargestellt. In diesem stabilisierenden Normalbetrieb wird der Verbraucher 20 aus dem Energiespeicher 10 mit Spannung versorgt („Ausgang EIN über Gleichspannungswandler"), obwohl die Spannung U1 unter die für den Betrieb des Verbrauchers 20 erforderliche Spannung abgesunken ist, d.h. U1 ist kleiner als die erste Grenzspannung Ugs1. Die Versorgung des Verbrauchers erfolgt nun über den Gleichspannungswandler 35, der aus dem Energiespeicher 10 gespeist wird, unter der Bedingung, dass die Spannung U1 größer ist als die zweite Grenzspannung Ugs2, d.h. größer als die Mindesteingangsspannung des Gleichspannungswandlers 35. U1 muss somit zwischen 5 und 10V liegen. Hierzu wird das Schaltelement S3 sperrend ("0") geschaltet, um die direkte Verbindung zwischen Verbraucher 20 und Energiespeicher 10 aufzutrennen. Ebenso ist das Schaltelement S2 sperrend („0") geschaltet, da keine Versorgung aus dem Pufferspeicher 40 erfolgt. Die Schaltelemente S1 und S4 werden leitend („1") geschaltet, um die Versorgung über den Gleichspannungswandler 35 zu ermöglichen.
Die von dem Gleichspannungswandler 35 bereit gestellte Spannung U2 beträgt zwischen 10 und 16V. Geht man davon aus, dass vor dem Eintritt des„stabilisierenden Normalbetriebs" die Spannung nicht sprunghaft, sondern allmählich unter 10V gesunken ist, so kann, um Spannungssprünge zu vermeiden, die Spannung U2 auf 10V geregelt werden. Ist ein Spannungssprung für den Verbraucher tolerierbar, kann die Spannung auch auf 16V geregelt werden. Ebenso kann die Spannung U2 in einer Rampe von 10V auf 16V kontinuierlich erhöht werden. Eine entsprechende Steuerung erfolgt mittels des Signals s1 durch die Steuereinheit 34. Eine Erhaltungsladung des Pufferspeichers 40 findet im stabilisierenden Normalbetrieb in diesem Ausführungsbeispiel nicht statt, d.h. das Schaltelement S5 ist sperrend („0") geschaltet. Die Spannung U3 entspricht damit der Spannung des Pufferspeichers 40, der vorher auf 16V aufgeladen wurde. In einer Variante könnte auch in dem stabilisierenden Normalbetrieb eine wie oben beschriebene Erhaltungsladung durchgeführt werden.
In Zeile Nr. 4 der Tabelle in Fig. 2 ist ein„stabilisierender Pufferbetrieb" der Spannungs- stabilisierungsvorrichtung 30 dargestellt. In diesem stabilisierenden Pufferbetrieb wird der Verbraucher 20 nicht mehr aus dem Energiespeicher 10, sondern aus dem Pufferspeicher 40 mit Spannung versorgt („Ausgang EIN über Pufferspeicher"), da die Spannung U1 unter die für den Betrieb des Gleichspannungswandlers 35 erforderliche Spannung abge- sunken ist, d.h. U1 ist kleiner als die zweite Grenzspannung Ugs2. U1 ist somit kleiner als 5V. Die Versorgung des Verbrauchers erfolgt über den Gleichspannungswandler 35, der aus dem Pufferspeicher 40 gespeist wird. Hierzu werden die Schaltelement S1 , S3 und S5 sperrend ("0") geschaltet, während die Schaltelemente S2 und S4 leitend („1") geschaltet werden.
Der stabilisierende Pufferbetrieb ist möglich, solange die Spannung U3 des Pufferspeichers 40 größer als die für den Betrieb des Gleichspannungswandlers 35 erforderliche Mindestspannung ist, d.h. U3 muss größer als die zweite Grenzspannung Ugs2 und damit größer als 5V sein. Die von dem Gleichspannungswandler 35 bereit gestellte Spannung U2 kann zwischen 10 und 16V betragen. Wie im vorangegangen stabilisierenden Normalbetrieb kann, um Spannungssprünge zu vermeiden, die Spannung U2 auf 10V geregelt werden. Wurde der Verbraucher 20 vorher mit 10V betrieben und ist ein Spannungssprung für den Verbraucher 20 tolerierbar, so kann die Spannung auch auf 16V geregelt werden. Ebenso kann in diesem Fall die Spannung U2 in einer Rampe von 10V auf 16V kontinuierlich erhöht werden. Eine entsprechende Steuerung erfolgt mittels des Signals s1 durch die Steuereinheit 34. Eine Erhaltungsladung des Pufferspeichers 40 findet im stabilisierenden Notbetrieb in diesem Ausführungsbeispiel nicht statt, d.h. das Schaltelement S5 ist sperrend („0") geschaltet.
Sinkt die Spannung U3 des Pufferspeichers aufgrund der andauernden Entladung unter die zweite Grenzspannung Ugs2 ab, so erfolgt eine Sicherheitsabschaltung, in welcher der Verbraucher 20 nicht mehr mit Spannung versorgt werden kann („Ausgang AUS, Sicherheitsabschaltung"). In diesem in Zeile Nr. 5 der Tabelle in Fig. 2 gezeigten Zustand sind bzw. werden alle Schaltelemente S1 bis S5 sperrend („0") geschaltet. Die Spannung U2 am Ausgang des Gleichspannungswandlers 35 ist 0V. Die Spannung U1 ist hier immer noch kleiner als die zweite Grenzspannung Ugs2 und beträgt zwischen 0 und 5V.
Die vorgeschlagene Vorrichtung 30 ermöglicht somit einen späteren Entladebeginn des Pufferspeichers 40, was eine längere Versorgung des Verbrauchers 20 ermöglicht. Ferner kann der Pufferspeicher 40 bis zu einer Mindestspannung für den Betrieb des Gleichspannungswandlers und damit im Vergleich zu den bekannten Lösungen wesentlich tiefer entladen werden, was ebenfalls eine längere Versorgung des Verbrauchers 20 ermöglicht. Weiter kann der Pufferspeicher 40 auf eine maximal mögliche Spannung aufgeladen werden, was zusätzlich einen vergrößerten Spannungshub mit sich bringt und eine weiter längere Versorgung des Verbrauchers 20 ermöglicht. Jede Maßnahme bringt einzeln für sich sowie im Verbund eine maximierte Pufferleistung des Pufferspeichers 40 mit sich.
Im Ergebnis wird der mit dieser Vorrichtung betriebene Verbraucher unabhängig von Schwankungen oder Ausfällen des Energiespeichers optimal stabilisiert. Im Normalbetrieb entsteht keine Verlustleistung. Ferner können keine kritischen Verbraucherspannungszu- stände entstehen.
Bezugszeichenliste
10 Energiespeicher
11 Versorgungsklemme des Energiespeichers 10
20 Verbraucher
21 Versorgungseingang der Verbrauchers 20
30 Vorrichtung zu stabilisierenden Versorgung des Verbrauchers 20
31 Eingang der Vorrichtung 30 (IN)
32 Ausgang der Vorrichtung 30 (OUT)
33 Eingang für Pufferspeicher 40
34 Steuereinheit
35 Gleichspannungswandler
36 Eingang des Gleichspannungswandlers
37 Ausgang des Gleichspannungswandlers
38 Versorgungseingang für Steuereinheit 34
40 Pufferspeicher
S1 erstes Schaltelement
S2 zweites Schaltelement
S3 drittes Schalteiement
S4 viertes Schaltelement
S5 fünftes Schaltelement
U1 Eingangsspannung der Vorrichtung am Eingang 31
U2 Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 35
U3 Spannung des Pufferspeichers 40
Ugs1 erste Grenzspannung
Ugs2 zweite Grenzspannung
m1 Messsignal, das die Eingangsspannung U1 der Vorrichtung am Eingang 31 repräsentiert
m2 Messsignai, das die Ausgangsspannung U2 des Gleichspannungswandlers repräsentiert
m3 Messsignal, das die Spannung U3 des Pufferspeichers 40 repräsentiert s1 Steuersignal für den Gleichspannungswandler

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (30) zur stabilisierenden Versorgung eines im Normalbetrieb aus einem Energiespeicher (10) versorgten Verbrauchers (20) aus einem Pufferspeicher (40), wobei die Vorrichtung (30) einen Gleichspannungswandler (35), eine Mehrzahl von steuerbaren Schaltelementen (S1 , .., S5) und eine Steuereinheit (34) zur Steuerung des Schaltzustands (1 ; 0) der Mehrzahl an steuerbaren Schaltelementen (S1 , .., S5) in Abhängigkeit einer Eingangsspannung (U1) der Vorrichtung (30) umfasst, wobei die Vorrichtung (30) dazu ausgebildet ist,
a) den Verbraucher (20) im Normalbetrieb unter Umgehung von Verlustleistung aufweisenden Komponenten direkt aus dem Energiespeicher (10) zu versorgen, wenn die Eingangsspannung (U1) größer als eine vorgegebene erste Grenzspannung (Ugs1) ist, wobei die erste Grenzspannung (Ugs1) eine Mindestspannung des Verbrauchers zu dessen Versorgung ist;
b) den Verbraucher (20) über den aus dem Energiespeicher (10) gespeisten Gleichspannungswandler (35) zu versorgen, wenn die Eingangsspannung (U1) unter die erste vorgegebene Grenzspannung (Ugs1) sinkt, wobei der Gleichspannungswandler (35) die Eingangsspannung auf eine Betriebsspannung des Verbrauchers wandelt; und
c) den Gleichspannungswandler (35) aus dem Pufferspeicher (40) zu speisen, wenn die Eingangsspannung unter eine zweite vorgegebene Grenzspannung (Ugs2) sinkt bis eine Spannung (U3) des Pufferspeichers (40) die zweite vorgegebene Grenzspannung (Ugs2) erreicht, wobei die zweite vorgegebene Grenzspannung (Ugs2) eine Mindestspannung des Gleichspannungswandiers (35) zu dessen Betrieb ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der diese ein steuerbares drittes Schaltelement (S3) umfasst, über das der Verbraucher (20) direkt mit dem Energiespeicher (10) verbindbar ist, wodurch der Verbraucher (20) im Normalbetrieb unter Umgehung von Verlustleistung aufweisenden Komponenten aus dem Energiespeicher versorgbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der diese ein steuerbares viertes Schaltelement (S4) umfasst, das zwischen einem Ausgang (37) des Gleichspannungs- wandlers (35) und einem Ausgang (32) der Vorrichtung verschaltet ist, wobei über das vierte Schaltelement (S4) der Gleichspannungswandler (35) mit dem Verbraucher (20) verbindbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der diese ein steuerbares erstes Schaltelement (S1) umfasst, das zwischen einem Eingang (36) des Gleichspannungswandlers (35) und einem Eingang (31) der Vorrichtung verschaltet ist, wobei über das erste Schaltelement (S1) der Gleichspannungswandler (35) mit dem Energiespeicher (10) verbindbar ist, wodurch der Verbraucher (20) über den aus dem Energiespeicher (10) gespeisten Gleichspannungswandler (35) versorgbar ist, wenn die Eingangsspannung (U1) unter die erste vorgegebene Grenzspannung (Ugs1) sinkt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, bei der diese ein steuerbares zweites Schaltelement (S2) umfasst, das zwischen dem Eingang (36) des Gleichspannungswandlers (35) und einem Anschluss (33) für den Pufferspeicher (40) verschaltet ist, wodurch der Verbraucher (20) über den aus dem Pufferspeicher (40) gespeisten Gleichspannungswandler (35) versorgbar ist, wenn die Eingangsspannung (U1) unter die zweite vorgegebene Grenzspannung (Ugs2) sinkt.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das erste und das zweite Schaltelement (S1 , S2) in einem Regelbetrieb nicht den gleichen Schaltzustand (1 ; 0) aufweisen, wobei der Regelbetrieb alle Betriebszustände mit Ausnahme einer Sicherheitsabschaltung, bei der alle Schaltelemente (S1 , .., S5) der Vorrichtung sperrend geschaltet sind, umfasst.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der diese ein steuerbares fünftes Schaltelement (S5) umfasst, das zwischen dem Ausgang (37) des Gleichspannungswandlers (35) und dem Anschluss (33) für den Pufferspeicher (40) verschaltet ist, wodurch der Pufferspeicher (40) geladen werden kann.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinheit (34) aus dem Pufferspeicher mit Spannung versorgt ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Steuereinheit (34) dazu ausgebildet ist, die Eingangsspannung (U1), die Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers (U2) und die Spannung des Pufferspeichers (40) messtechnisch zu erfassen und abhängig von diesen die Schaltzustände (1 ; 0) der Schaltelemente (S1 , S5) zu bestimmen.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Pufferspeicher (33) ein elektrochemischer Kondensator (Superkondensator, Ultrakondensator) ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Pufferspeicher (40) Bestandteil der Vorrichtung ist.
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