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Die Erfindung betrifft ein Energieübertragersystem für ein Energiespeichersystem, insbesondere ein Batteriesystem, mit einer Mehrzahl von Gleichstromstellermodulen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Energiespeichersystem mit einem entsprechenden Energieübertragersystem und ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Energiespeichersystem.
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Stand der Technik
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Ein Energieübertragersystem für ein Energiespeichersystem ist z. B. aus Windkraftanlagen, Notstromsystemen, aber auch aus Fahrzeugen mit Elektro- oder Hybridantrieb bekannt. Bei derartigen Systemen ist ein Umsetzermodul mit mindestens einem Gleichstromsteller (DC/DC-Umsetzer) zwischen die Energiespeichermodule des Energiespeichersystems einerseits und einer als Elektromotor oder Generator ausgebildeten elektrischen Maschine andererseits zwischengeschaltet. Die Energiespeichermodule sind dabei als Batteriemodule mit wiederaufladbaren Batteriezellen ausgebildet.
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Es besteht ein wachsender Bedarf nach Energiespeichersystemen, welche in solchen stationären Anwendungen, wie Windkraftanlagen und Notstromsystemen oder aber in Fahrzeugen zum Einsatz kommen sollen. Alle diese Einsatzgebiete stellen hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit des Energiespeichersystems. Der Grund hierfür ist, dass ein vollständiger Ausfall der Spannungsversorgung durch das Energiespeichersystem zu einem Ausfall eines Gesamtsystems führen kann. So werden bei Windkraftanlagen Batterien eingesetzt, um bei starkem Wind die Rotorblätter verstellen und die Anlage so vor übermäßigen mechanischen Belastungen zu schützen, die die Windkraftanlage beschädigen oder sogar zerstören können. Im Falle des Ausfalls der Batterie(module) eines Elektro- oder Hybridfahrzeuges würde dieses fahruntüchtig werden. Ein Notstromsystem wiederum soll gerade den unterbrechungsfreien Betrieb – zum Beispiel in einem Krankenhaus – sicherstellen und daher selbst möglichst nicht ausfallen.
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Um die für die jeweilige Anwendung geforderte Leistung und Versorgungsspannung zur Verfügung stellen zu können, werden einzelne Batteriezellen in Serie und teilweise zusätzlich parallel geschaltet. Dabei wird z. B. eine Vielzahl von Batteriezellen in Serie geschaltet, um die beispielsweise in einem Pkw (Personenkraftwagen) für den Antriebsmotor erforderliche Betriebsspannung zu erreichen. Die Betriebsspannung kann durch ausgangsseitige Schalter von den folgenden, nicht dargestellten leistungselektronischen Bauelementen, wie Wechselrichtern abgekoppelt werden. Da der gesamte Ausgangsstrom des Energiespeichermoduls aufgrund der Serienschaltung der Batteriezellen in jeder der Batteriezellen fließt, bedeutet der Ausfall einer einzigen Batteriezelle im Extremfall, das gesamte Energiespeichersystem keinen Strom und damit keine elektrische Energie mehr bereitstellen kann. Um einen drohenden Ausfall einer Batteriezelle rechtzeitig erkennen zu können, wird gewöhnlich ein sog. Batterie-Managementsystem verwendet, welches mit beiden Polen jede der Batteriezellen verbunden ist und in regelmäßigen oder wählbaren Abständen Betriebsparameter wie Spannung und Temperatur jeder der Zellen und daraus deren Ladezustand (SoC:State of Charge und/oder SoH:State of Health) bestimmt. Dies bedeutet einen hohen Aufwand bei gleichzeitig geringer Flexibilität der elektrischen Betriebsdaten des Energiespeichersystems.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Energieübertragersystem den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, dass zum Einspeisen von elektrischer Energie eingangsseitig eine Vielzahl von Energiespeichermodulen mit jeweils frei wählbarem Bezugspotential angeschlossen werden können, die jeweils eine bedeutend geringere Klemmspannung aufweisen als eine entsprechende Kombination aus Serien- und Parallelschaltung dieser Energiespeichermodule, wie sie sich aus der Verschaltung am Ausgang der Energiespeichermodule ergibt. Erfindungsgemäß weist das Energieübertragersystem eine Mehrzahl von Gleichstromstellermodulen (DC/DC-Umsetzermodulen) mit jeweils einem Gleichstromsteller (DC/DC-Umsetzer) und/oder einer ausgangsseitigen Serienschaltung mehrerer Gleichstromsteller und je einem ersten und einen zweiten Modul-Ausgang auf, wobei jeder der Gleichstromsteller einen ersten und einen zweiten Eingang zum Anschließen eines Energiespeichermoduls aufweist und die Gleichstromstellermodule ausgangsseitig parallel geschaltet sind. Die ausgangsseitige Parallelschaltung der Gleichstromstellermodule erfolgt durch elektrisch leitende Verbindung der ersten Modul-Ausgänge untereinander und der zweiten Modul-Ausgänge untereinander.
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Durch die sich ergebende geringe Klemmspannung zwischen dem ersten und dem zweiten Eingang jedes der Gleichstromsteller liegt an keinem primärseitigen Anschluss eine Spannung an, die einen besonderen Umgang mit dem Energiespeicher beim Austausch einzelner Energiespeichermodule oder Energiespeicherzellen erforderlich machen würde. Indem die Ausgänge der Gleichstromstellermodule parallel geschaltet sind, sich ausgangsseitig ein gewünscht hoher Gesamtstrom als Summe der von den einzelnen Gleichstromstellermodulen erzeugten Ausgangsströmen. Durch die Serienschaltung der Gleichstromsteller innerhalb der Gleichstromstellermodule ergibt sich gleichzeitig ausgangsseitig eine vorwählbar hohe Gesamtspannung als Summe der von den einzelnen Gleichstromstellern erzeugten Ausgangsspannungen. Der Aufbau der Umsetzermodule erlaubt die Wahl einer je nach Betriebssituation geeigneten Gesamtspannung, da die Ausgangsspannung der einzelnen Gleichstromsteller nach bekannter Art eingestellt werden kann. Außerdem wird die Ausgangsspannung, unabhängig von der Zahl der primärseitig angeschlossenen Energiespeicherzellen. Dadurch kann die Auslegung des Energiespeichersystems rein nach Energie- und Leistungskriterien, unabhängig von der für die jeweilige Anwendung geforderten Gesamtspannung erfolgen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass teure Leistungsschalter (Schütze) zum Trennen des Energiespeichers von der Last und Zuschalten zu der Last entfallen können, weil die Hochspannung am Energiespeicherausgang durch Abschalten der Gleichstromsteller auf einfache Weise abgeschaltet werden kann. Die (Gesamt-)Spannung eines jeden der Energiespeichermodule liegt bevorzugt im Bereich 0.1 V ≤ X ≤ 120 V, besonders bevorzugt im Bereich 0.2 V ≤ X ≤ 50 V.
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Unter einem elektrischen Energiespeicher im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Energiespeicher zu verstehen, dem entweder elektrische Energie entnommen werden kann oder zugeführt und entnommen werden kann. Der elektrische Energiespeicher ist als Ladungsspeicher und/oder als magnetischer Energiespeicher und/oder elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet. Ein elektrochemischer Energiespeicher ist insbesondere eine wiederaufladbare Batterie beziehungsweise ein Akkumulator.
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Unter einem Gleichstromsteller ist insbesondere ein bidirektionaler Gleichstromsteller (DC/DC-Umsetzer) zu verstehen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verfügt mindestens einer der Gleichstromsteller über eine erste und eine zweite Spule, welche miteinander zu einem Leistungsübertrager und/oder Speichertransformator gekoppelt sind. Diese Ausführungsvariante der Gleichstromsteller ermöglicht eine galvanische Abkopplung der Ausgänge der Gleichstromsteller von deren Eingängen, so dass eine Serienschaltung der Ausgänge der Gleichstromsteller mit einer anschließenden Parallelschaltung der Ausgänge der Gleichstromstellermodule einfach kombinierbar ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Gleichstromsteller als Fly-Back-Konverter, als Forward-Konverter, Push-Pull-Konverter, Half-Bridge-Konverter und Full-Bridge-Konverter sowie als Resonanzwandler ausgeführt sein können. Die vorgenannten Konverter sind bekannte Gleichstromsteller.
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Bei einer vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Energieübertragers sind die ersten Eingänge oder die zweiten Eingänge jeweils eines Gleichstromstellers jedes der Gleichstromstellermodule mit Masse verbunden. Insbesondere sind die ersten Eingänge oder die zweiten Eingänge jedes Gleichstromstellers jedes der Gleichstromstellermodule mit Masse verbunden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens einer der Gleichstromsteller über eine Freilaufdiode verfügt, wobei jeweils eine Anode der Freilaufdiode mit einem zweiten Ausgang des Gleichstromstellers und eine Kathode der Freilaufdiode mit einem ersten Ausgang des Gleichstromstellers elektrisch verbunden ist. Besonders bevorzugt verfügt jeder der Gleichstromsteller über eine Freilaufdiode.
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Alternativ oder zusätzlich verfügt mindestens einer der Gleichstromsteller über einen ersten Steuereingang für ein erstes Steuersignal und ist ausgebildet, auf den Empfang des ersten Steuersignals hin einen ersten Ausgang des Gleichstromstellers mit einem zweiten Ausgang des Gleichstromstellers elektrisch zu verbinden. Insbesondere ist vorgesehen, dass jeder der Gleichstromsteller über einen ersten Steuereingang für ein erstes Steuersignal verfügt und ausgebildet ist, auf den Empfang des ersten Steuersignals hin den ersten Ausgang des Gleichstromstellers mit dem zweiten Ausgang des Gleichstromstellers elektrisch zu verbinden.
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Bei einer Fortführung der beiden letztgenannten Ausführungsvarianten verfügt mindestens einer der Gleichstromsteller über einen zweiten Steuereingang für ein zweites Steuersignal und ist ausgebildet, auf den Empfang des zweiten Steuersignals hin eine Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgang des Gleichstromstellers zu erhöhen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass jeder der Gleichstromsteller über einen derartigen Steuereingang verfügt. Somit ist es möglich, einer Senkung der Gesamtspannung eines Umsetzermoduls durch den bereits beschriebenen Ausfall bzw. die Abschaltung eines einzelnen Gleichstromstellers entgegenzuwirken, so dass weiterhin eine wenigstens näherungsweise unveränderte Gesamtspannung von der verringerten Anzahl an Gleichstromstellern innerhalb des Gleichstromstellermoduls bereitgestellt wird.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Energiespeichersystem mit einem vorstehend genannten Energieübertragersystem. Es ist vorgesehen, dass das Energiespeichersystem eine Mehrzahl von Energiespeichermodulen mit jeweils einer Speicherzelle und einem ersten und einem zweiten Pol aufweist, wobei die Pole mit entsprechenden ersten und zweiten Eingängen eines der Gleichstromsteller des Energieübertragersystems elektrisch verbunden sind. Diese Verbindung ist vorzugsweise eine lösbare Verbindung. Die Speicherzellen der Energiespeichermodule sind vorzugsweise Batteriezellen von Batteriemodulen, die Pole entsprechend Batteriepole.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einem vorstehend genannten Energiespeichersystem. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Energiespeichersystem als Energiespeichersystem zur Versorgung eines elektrischen Antriebssystems des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Das Antriebssystem weist mindestens eine als Elektromotor und/oder Generator ausgebildete elektrische Maschine auf.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Schaltbild eines erstes Ausführungsbeispiel eines Energiespeichersystems mit Energieübertragersystem,
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2 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiel eines Energiespeichersystems mit Energieübertragersystem; und
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3 ein Schaltbild eines Gleichstromstellers mit Speichertransformator.
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Die 1 zeigt ein Schaltbild eines als Batteriesystem ausgebildeten Energiespeichersystems 10 mit mehreren als wiederaufladbare Batteriemodule ausgebildeten elektrischen Energiespeichermodulen.
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Unter einem elektrischen Energiespeicher im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Energiespeicher zu verstehen, dem elektrische Energie entnommen werden kann oder zugeführt und entnommen werden kann. Der elektrische Energiespeicher ist als Ladungsspeicher und/oder als magnetischer Energiespeicher und/oder elektrochemischer Energiespeicher ausgebildet. Modulare Baueinheiten des Energiespeichers sind die elektrischen Energiespeichermodule.
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In 1 sind lediglich drei von mehreren Energiespeichermodulen 12, 14, 16 mit jeweils einer Speicherzelle 18 dargestellt. In realen Anwendungen kann die Zahl der Energiespeichermodule bzw. Batteriemodule deutlich höher liegen. Das Energiespeichersystem 10 weist weiterhin ein Energieübertragersystem 20 auf, das seinerseits eine Vielzahl von Gleichstromstellermodulen (DC/DC-Umsetzermodulen) 22, 24, 26 aufweist, wobei jedes der Gleichstromstellermodule 22, 24, 26 jeweils einen Gleichstromsteller (DC/DC-Umsetzer) 28, 30, 32 aufweist. Jeder der Gleichstromsteller 22, 24, 26 weist einen ersten Eingang 34 und einen zweiten Eingang 36 auf. Jeder der ersten Eingänge 34 mit einem zugeordneten ersten Batteriepol 38 eines dem Gleichstromstellers 28, 30, 32 zugeordneten Energiespeichermoduls 12, 14, 16 und jeder zweite Eingang 36 eines der Gleichstromsteller 28, 30, 32 mit einem zweiten Pol 40 eines zugeordneten Energiespeichermoduls der Energiespeichermodule 12, 14, 16 lösbar elektrisch verbunden. Jeder der Gleichstromsteller 28, 30, 32 weist einen ersten Ausgang 42 und einen zweiten Ausgang 44 auf. Da jedes der Gleichstromstellermodule 22, 24, 26 jeweils einen Gleichstromsteller 28, 30, 32 aufweist, entspricht der jeweilige erste Ausgang einem ersten Modul-Ausgang 46 und der jeweilige zweite Ausgang 44 einem zweiten Modul-Ausgang 48 des jeweiligen Gleichstromstellermoduls 22, 24, 26. Die Gleichstromstellermodule 22, 24, 26 sind durch Kurzschließen der jeweiligen ersten Modul-Ausgänge 46 untereinander und der zweiten Modul-Ausgänge 48 untereinander ausgangsseitig parallel geschaltet. An einem mit den ersten Ausgängen 42 elektrisch verbundenen ersten Ausgangskontakt (–) des Energieübertragungssystems 18 und an einen mit den zweiten Ausgängen 44 verbundenen zweiten Ausgangskontakt (+) ist ein nicht gezeigter Verbraucher, insbesondere eine elektrische Maschine anschließbar. Im Ausführungsbeispiel der 1 weist jedes der Stellermodule 22, 24, 26 genau einen Gleichstromsteller 28, 30, 32 auf und jedes der Energiespeichermodule 12, 14, 16 ist mit einem seiner Pole 38, 40 mit Masse verbunden.
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Die 2 zeigt ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des Energiespeichersystems 10 mit Energieübertragersystem 20. Das in der 2 gezeigte Energiespeichersystem 10 entspricht im Wesentlichen dem Energiespeichersystem 10 der 1, so dass hier nur auf die Unterschiede eingegangen wird. Das Energieübertragungssystem 20 der 2 weist zwei Gleichstromstellermodule 22, 24 auf, wobei jedes der Gleichstromstellermodule 22, 24 jeweils drei Gleichstromsteller 28, 30, 32; 50, 52, 54 aufweist. Die drei Gleichstromsteller 28, 30, 32 des ersten Gleichstromstellermoduls 22 sind ausgangsseitig, also über ihre Ausgänge 42, 44, in Serie geschaltet und eingangsseitig jeweils mit einem zugeordneten Energiespeichermodul 12, 14, 16 elektrisch verbunden. Das zweite Gleichstromstellermodul 24 weist ebenfalls drei Gleichstromsteller 50, 52, 54 auf, die ausgangsseitig in Serie geschaltet sind und eingangsseitig jeweils mit einem zugeordneten Energiespeichermodul 56, 58, 60 elektrisch verbunden sind. Die ersten Modul-Ausgänge 46 und die zweiten Modul-Ausgänge 48 sind jeweils miteinander und mit einem ersten Ausgangskontakt (–) elektrisch verbunden. Die zweiten Modul-Ausgänge 48 sind untereinander und mit einem zweiten Ausgangskontakt (+) elektrisch verbunden.
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Eine derartige Anordnung besitzt den Vorteil, dass primärseitig eine Vielzahl von Energiespeichermodulen 12, 14, 16; 56, 58, 60 parallel geschaltet werden können, wobei an jedem der Gleichstromsteller 28, 30, 32, 50, 52, 54 jeweils eine bedeutend geringere Klemmspannung anliegt als bei eine Serienschaltung all dieser Energiespeichermodule 12, 14, 16, 56, 58, 60 an einem einzelnen leistungselektronischen Bauelement, wie einem Wechselrichter. Daher liegt an keinem primärseitigen Anschluss – also an keinem der ersten und der zweiten Eingänge 34, 36 der Gleichstromsteller 28, 30, 32; 50, 52, 54 – eine Spannung an, die einen besonderen Umgang mit dem (vorzugsweise als Batterie ausgebildeten) Energiespeicher beim Austausch von Energiespeichermodulen 12, 14, 16; 56, 58, 60 oder einzelner Speicherzellen 18 erforderlich machen würde. Indem die Ausgänge der Gleichstromsteller 28, 30, 32; 50, 52, 54 jedoch in Reihe geschaltet sind, ergibt sich – bezogen auf jedes der Gleichstromstellermodule 22, 24 – eine gewünscht hohe Gesamtspannung als Summe der von den einzelnen Gleichstromstellern 28, 30, 32; 50, 52, 54 erzeugten Ausgangsspannungen. Durch die – auf das Energieübertragungssystem 20 bezogenen – ausgangsseitig parallel geschalteten Gleichstromstellermodule 22, 24 ergeben sich entsprechend hohe Ströme.
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Die Ausgangsspannung ist somit unabhängig von der Zahl der primärseitig angeschlossenen Speicherzellen 18. Dadurch kann die Auslegung des Energiespeichersystems 10 rein nach Energie- und Leistungskriterien, unabhängig von der für die jeweilige Anwendung geforderten Gesamtspannung erfolgen. Die Gleichstromsteller 28, 30, 32, 50, 52, 54 sind bevorzugt als Fly-Back-Konverter, Forward-Konverter, Push-Pull-Konverter, Half-Bridge-Konverter, Full-Bridge-Konverter und/oder als Resonanzwandler ausgeführt.
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3 zeigt ein Schaltbild eines Gleichstromstellers mit einem Speichertransformator 62. Eine Gleichspannungsquelle 64, welche im Falle der Erfindung einem Energiespeichermodul 12, 14, 16, 56, 58, 60 entspricht, wird über einen Schalter 66 periodisch mit einer Primärspule 68 des Speichertransformators 62 verbunden und wieder abgekoppelt. Wenn die Gleichspannungsquelle 64 mit der Primärspule 68 (erste Spule) verbunden ist, fließt ein Strom durch die Primärspule 68, welcher zum Aufbau eines Magnetfeldes im Speichertransformator 62 führt. Wenn der Schalter 66 wieder geöffnet wird, gibt das Magnetfeld die in ihm gespeicherte Energie über eine Sekundärspule 70 (zweite Spule) des Speichertransformators 62 ab. Der auf diese Weise erzeugte Ausgangsstrom lädt über eine Diode 72 einen Pufferkondensator 74 auf, welcher den durch die Taktung des Schalters 66 stoßartig fließenden Ausgangsstroms zwischenspeichert und glättet. An den ersten und den zweiten Ausgängen 42, 44 des Gleichstromstellers entsteht eine Ausgangsspannung, die außer von der Kapazität C des Pufferkondensators 74 auch von der Taktung des Schalters 66 abhängig ist. Der Gleichstromsteller weist eine zwischen dem ersten Ausgang 42 und dem zweiten Ausgang 44 eine in Sperrrichtung geschaltete Freilaufdiode 76 und einen zur Freilaufdiode 76 parallel geschalteten Schalter 78 auf. Der Schalter 78 ist ein über ein Steuersignal betätigbarer Schalter, wie zum Beispiel ein als Transistor ausgebildeter Schalter 78. Der Gleichstromsteller verfügt somit über einen ersten Steuereingang für ein erstes Steuersignal (nicht gezeigt) und ist ausgebildet, auf den Empfang des ersten Steuersignals hin den ersten Ausgang 42 des Gleichstromstellers 28, 30, 32; 50, 52, 54 mit dem zweiten Ausgang 44 des Gleichstromstellers 28, 30, 32; 50, 52, 54 elektrisch zu verbinden.
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Bekannte Gleichstromsteller verfügen über einen Kontroller, der die Taktung des Schalters 66 an die Betriebssituation anpasst. Auch ist es üblich, dass eine Rückkopplung vorgesehen ist, bei der die an den Ausgängen 42, 44 anliegende Ausgangsspannung bestimmt und zur Anpassung der Taktung des Schalters 66 verwendet wird, so dass sich eine möglichst stabile Ausgangsspannung ergibt. Im Rahmen der Erfindung erlauben diese Eigenschaften von Gleichstromstellern die Einstellung einer je nach Betriebssituation gewünschten Gesamtspannung des Energiespeichersystems 10 oder auch das Abschalten eines oder aller Gleichstromsteller 28, 30, 32, 50, 52, 54.
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Ein wichtiger Vorteil der in 3 abgebildeten Ausführungsform des Gleichstromstellers ist die galvanische Entkopplung der Eingangsspannung der Gleichspannungsquelle 64 (bzw. des Energiespeichermoduls 12, 14, 16; 56, 58, 60) von der Ausgangsspannung an den Ausgängen 42, 44, welche die Serienschaltung der Ausgänge der Gleichstromsteller ermöglichen. Auch andere bekannte Gleichstromsteller, die diesen Vorteil bieten, sind für die Realisierung der Erfindung geeignet.
