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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Einspeisung von Energie aus einer Energiequelle insbesondere mit stark schwankender Quellenspannung in einen Energiespeicher mit Hilfe einer solchen Schaltungsanordnung.
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Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der
US 2011/0127957 A1 zu entnehmen.
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Bei Energiequellen, deren ausgangsseitig bereitgestellte Spannung, nachfolgend als Quellenspannung bezeichnet, im zeitlichen Verlauf starken Schwankungen unterworfen ist, besteht allgemein das Problem, die von der Energiequelle bereitgestellte Energie mit möglichst hoher Effizienz in einen Energiespeicher einzuspeisen, insbesondere dann, wenn die Quellenspannung auch Spannungswerte kleiner der Spannung des Energiespeichers einnimmt.
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Beispielsweise in der Kraftfahrzeugtechnik werden im Rahmen von Spritsparmaßnahmen elektrische Energiegeneratoren als Energiequellen eingesetzt, die zusätzlich zu einer Lichtmaschine elektrische Energie bereitstellen. Als Energiequellen werden auch sogenannte thermoelektrische Generatoren (TEG) für ihren Einsatz in Kraftfahrzeug-Bordnetzen untersucht. Bei den TEG's wird unter Ausnutzung des sogenannten Seebeck-Effekts Wärmeenergie in elektrische Energie umgewandelt. Voraussetzung hierfür ist, dass zwei Punkte eines elektrischen Leiters unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind, wobei in diesem Fall aufgrund des Seebeck-Effekts zwischen diesen beiden Punkten eine elektrische Spannung erzeugt wird. Aus der
DE 10 2008 023 806 A1 ist ein Abgassystem mit einem Kraftfahrzeug mit einem thermoelektrischen Generator zu entnehmen.
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Aufgrund der Ausnutzung beispielsweise der Abwärme im Abgassystem mit den stark schwankenden Temperaturen liefert der TEG an seinem Ausgang stark schwankende Spannungswerte. Diese vom TEG bereitgestellte Quellen- oder Generatorspannung kann dabei unter- oder auch oberhalb der Bordnetzspannung liegen, die von einer den Energiespeicher bildenden Kraftfahrzeug-Batterie festgelegt wird.
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Bei den TEG werden üblicherweise eine Vielzahl von einzelnen Zellen in Reihe und/oder parallel geschaltet, um eine geeignete Energieausbeute zu erreichen. Pro Zelle wird dabei beispielsweise eine Spannung von etwa 3 V pro 100 K Temperaturunterschied zwischen den beiden Punkten des elektrischen Leiters erreicht.
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Aufgrund der stark schwankenden Generatorspannung ist der schaltungstechnische Aufwand zum Einspeisen der von dem TEG bereitgestellten Energie in den Energiespeicher, insbesondere die Batterie oder allgemein in das (Kraftfahrzeugbord-)Netz mit Aufwand verbunden.
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In der
US 2011/0127957 A1 ist eine Schaltungsanordnung für ein Hybrid-Fahrzeug beschrieben, bei dem bei Bedarf ein von einem Motor angetriebener elektrischer Generator zugeschalten wird, über den mittels einer Schaltungsanordnung die Fahrzeugbatterie geladen wird.
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Aus der
DE 10 2009 030 406 A1 ist darüber hinaus zusätzlich zu einem solchen Generator auch die Anbindung weiterer elektrischer Energiequellen in einem Fahrzeug zu entnehmen, welche Energie aus der Umgebung wie beispielsweise Sonneneinstrahlung, Temperatur etc. gewinnen. Unter anderem betrifft dies auch thermoelektrische Generatoren. Zu deren Anbindung an das Kraftfahrzeug Bordnetz sind für unterschiedliche Leistungsbereiche der Energiequellen unterschiedliche Einspeiseelemente, wie Wandler und Dioden eingesetzt werden.
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Schließlich ist aus der
DE 10 2008 003 835 B3 eine Kraftfahrzeug-Spannungsversorgungsschaltung zu entnehmen, bei der in Abhängigkeit der vorhandenen Spannungen ein Aufwärtswandler oder ein Abwärtswandler eingesetzt werden.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfach ausgebildete, effiziente Schaltungsanordnung für derartige Energiequellen anzugeben, deren Ausgangsspannung stark variiert.
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Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine elektrische Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach ist zur Einspeisung von Energie in einen Energiespeicher, insbesondere eine Batterie, ein Schaltkreis ausgebildet, in dem die Energiequelle, nachfolgend als Generator bezeichnet, und der Energiespeicher angeordnet sind. Um eine möglichst gleichbleibende, konstante Festspannung bei stark schwankender Quellen- oder Generatorspannung zu ermöglichen, umfasst die Schaltungsanordnung einen Zwei-Quadrantenregler mit einem Tiefsetzsteller und einen Hochsetzsteller, zwischen denen bedarfsabhängig umgeschaltet werden kann. Über den Tiefsetzsteller wird eine vom Generator bereitgestellte hohe Spannung, die oberhalb einer Umschaltspannung liegt, auf die gewünschte Sollspannung, insbesondere Batteriespannung eingeregelt. Umgekehrt wird mittels des Hochsetzstellers eine niedrige Spannung, die unterhalb der Umschaltspannung liegt, auf die gewünschte Sollspannung hochgeregelt. Als Energiespeicher wird nachfolgend von einer Batterie ausgegangen, wobei auch andere Energiespeicher möglich sind. Im Falle von Kraftfahrzeug-Bordnetzen liegt die Sollspannung daher bei typischerweise etwa bis zu 50 V, je nach Auslegung üblicherweise bei 12 V bzw. 48 V.
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Weiterhin umfasst die Schaltungsanordnung eine Steuereinheit, die in Abhängigkeit der vom Generator bereitgestellten Spannung einzelne elektronische Bauteile der Schaltungsanordnung geeignet ansteuert, so dass in Abhängigkeit der Generatorspannung der Hochsetzsteller bzw. Tiefsetzsteller aktiv ist. Insbesondere ist die Steuereinheit dabei derart ausgebildet, dass an der Batterie eine konstante Festspannung anliegt.
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Zwei-Quadrantenregler brauchen üblicherweise zwei Zwischenenergiespeicher. Bei der hier vorgestellten Schaltungsanordnung ist nunmehr vorgesehen, dass lediglich ein gemeinsamer Zwischenenergiespeicher sowohl für den Tiefsetzsteller als auch für den Hochsetzsteller in der Schaltungsanordnung angeordnet ist.
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Durch diese Maßnahme ist der schaltungstechnische Aufwand reduziert und gleichzeitig ein energieeffizientes Einspeisen der vom Generator bereitgestellten Energie erzielt.
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Ergänzend ist weiterhin ein Entladekreis ausgebildet, der mit dem Schaltkreis vor dem Zwischenspeicher und zwischen der Batterie und dem ersten Schaltelement verbunden ist. Über diesen Entladekreis ist bei geschlossenem erstem Schaltelement ein Entladen des Zwischenenergiespeichers und damit ein Beladen der Batterie in einem sogenannten „Freilauf” erreicht.
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In diesem Entladekreis ist zweckdienlicherweise eine Freilaufdiode angeordnet mit Durchflussrichtung von der Batterie zum Zwischenenergiespeicher.
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Vorzugsweise handelt es sich bei dem Generator hierbei um einen thermoelektrischen Generator. Dieser selbst ist dabei vorzugsweise aus einer Vielzahl von in Reihe und/oder parallel geschalteter einzelner Zellen aufgebaut. Grundsätzlich ist die hier beschriebene Schaltungsanordnung auch für andere Energiequellen oder Generatoren geeignet, beispielsweise für Photovoltaik-Module.
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Der gemeinsame Zwischenspeicher ist dabei der zu ladenden Batterie zweckdienlicherweise vorgeschaltet, das heißt innerhalb des Schaltkreises ist der Zwischenenergiespeicher zwischen Generator und Batterie in Reihe angeordnet.
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Der Zwischenenergiespeicher ist vorzugsweise eine Spule. Ergänzend ist weiterhin zweckdienlicherweise vorgesehen, dass zwischen der Spule und der Batterie eine Verpolschutzdiode angeordnet ist mit Durchflussrichtung von der Spule zur Batterie.
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Zur Ausbildung des Tiefsetzstellers ist im Schaltkreis zweckdienlicherweise ein erstes über die Steuereinheit steuerbares Schaltelement, beispielsweise ein Transistor, in Reihe zum Zwischenspeicher und der Batterie angeordnet. Über die Ansteuerung dieses ersten Schaltelements mit einer vorgegebenen Tastfrequenz wird daher der Belade- und Entladevorgang des Zwischenenergiespeichers (Spule) und die Energieabgabe aus dem Zwischenenergiespeicher in die Batterie geeignet eingestellt.
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Zur Ausbildung des Hochsetzstellers ist ergänzend zweckdienlicherweise ein Bypasspfad ausgebildet, der am Schaltkreis zwischen dem Zwischenenergiespeicher und der Batterie angeschlossen ist und in dem parallel zum ersten Schaltelement ein zweites über die Steuereinheit steuerbares Schaltelement angeordnet ist.
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Zur Steuerung und Regelung der Schaltungsanordnung steuert die Steuereinheit nunmehr in Abhängigkeit der generatorseitigen Ausgangsspannung (Quellenspannung) die beiden elektronischen Schaltelemente mit einem angepassten Tastverhältnis derart an, dass an der Batterie eine vorzugsweise konstante Ladespannung (Festspannung) anliegt. Das Umschalten zwischen Hochsetzsteller und Tiefsetzsteller erfolgt hierbei in Abhängigkeit einer vorgegebenen Umschaltspannung, beispielsweise beim doppelten der Batteriespannung liegt. Wird die Umschaltspannung vom Generator überschritten, wird der Tiefsetzsteller durch eine entsprechende Ansteuerung des ersten Schaltelements aktiviert, wobei das zweite Schaltelement offen ist, so dass über den Bypasspfad kein Strom fließt. Liegt die generatorseitige Ausgangsspannung unterhalb der Umschaltspannung wird der Hochsetzsteller aktiviert, wobei hierzu die Steuereinheit das zweite Schaltelement mit einem geeigneten Tastverhältnis ansteuert. Das erste Schaltelement ist hierbei dauerhaft geschlossen, um einen Rückstrompfad im Betriebsmodus des Hochsetzstellers zu definieren.
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Als Schaltelemente werden hierbei vorzugsweise die vergleichsweise günstigen und robusten n-Kanal-MOSFETS oder auch npn-Transistoren eingesetzt.
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Zweckdienlicherweise ist die Steuereinheit mit dem Generator zum Abgreifen einer Referenzspannung verbunden, die als Steuer-Eingangsgröße für die Steuereinheit herangezogen wird. Zweckdienlicherweise ist die Steuereinheit dabei mit einem Minus-Pol des Generators verschaltet.
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Durch die gewählte Schaltungsanordnung mit dem nur einen Zwischenenergiespeicher im Schaltkreis und der Bypassleitung ist in vorteilhafter Weise eine einfache Impedanzkontrolle über einen einfachen Widerstand mit einem einzigen Strommessgerät sowohl im Betriebsmodus des Tiefsetzstellers als auch im Betriebsmodus des Hochsetzstellers ermöglicht. Entsprechend weist die Schaltungsanordnung bevorzugt auch lediglich eine einzige Messanordnung mit nur einem Strommesser sowie mit einem Messwiderstand auf, um den Gesamtwiderstand der Schaltungsanordnung (Lastwiderstand) an den Innerwiderstand des Generators durch geeignetes Ansteuern des Tastverhältnisses der Schaltelemente möglichst anzupassen, um eine möglichst große Leistungsausbeute zu erzielen.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der einzigen Figur näher erläutert. Diese zeigt ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung.
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Die Schaltungsanordnung umfasst hierbei als Energiequelle einen Generator 2, welcher eine Quellen- oder Generatorspannung V1 liefert und einen Innenwiderstand R1 aufweist. Am positiven Bezugspotential des Generators 2 sind in Reihe eine Spule L1 als Zwischenenergiespeicher, eine Verpolschutzdiode D1, eine Batterie BAT1 als Energiespeicher sowie ein erstes elektronisches Schaltelement T1 in Reihe angeordnet. Diese Bauteile bilden einen Schaltkreis 4. Weiterhin ist ein Bypasspfad 6 ausgebildet, der zwischen der Spule L1 und dem positiven Bezugspotential der Batterie BAT1 mit seinem einen Ende und mit seinem anderen Ende zwischen dem ersten Schaltelement T1 und dem negativen Bezugspotential des Generators 2 angeschlossen ist. Im Bypasspfad 6 ist ein zweites Schaltelement T2 angeordnet. Die beiden Schaltelemente T1, T2 sind als Transistoren, vorzugsweise als npn-Transistoren ausgebildet.
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Schließlich ist ergänzend noch ein Entladekreis 8 am Schaltkreis 4 angeschlossen, dessen eines Ende vor der Spule L1 und dessen anders Ende nach der Batterie BAT1 (negatives Potential) angeschlossen ist. In den Entladekreis 8 ist eine Freilaufdiode D2 angeordnet.
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Weiterhin ist der Schaltanordnung eine Steuereinheit 10 zugeordnet, über die die beiden Schaltelemente T1, T2 in Abhängigkeit einer am Generator abgegriffenen Referenzspannung URef angesteuert werden. Weiterhin ist ergänzend eine nur schematisch dargestellte Messanordnung 12 vorgesehen, über die ein Laststrom I erfasst wird, der für eine Impedanzkontrolle ebenfalls an die Steuereinheit 10 übermittelt wird.
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Die Steuereinheit 10 steuert nunmehr im Betrieb die beiden Schaltelemente T1, T2 in Abhängigkeit der Generatorspannung V1 an. Ist die Generatorspannung größer der Batteriespannung, wird der Betriebsmodus des Tiefsetzstellers aktiviert. Hierzu wird das zweite Schaltelement T2 dauerhaft geöffnet, so dass der Bypasspfad 6 unterbrochen ist. Das erste Schaltelement T1, welches somit ein wesentliches Bauelement des Tiefsetzstellers ist, wird über die Steuereinheit 10 mit einem definierten Tastverhältnis angesteuert, so dass entsprechend dem Tastverhältnis das Schaltelement T1 kontinuierlich zwischen einem geschlossenen und geöffneten Schaltzustand wechselt. Bei geschlossenem ersten Schaltelement T1 fließt Strom durch die Spule L1 und über die Batterie BAT1. Dabei wird der Zwischenenergiespeicher (Spule L1) geladen. Bei ausgeschaltetem ersten Schalelement T1 wird die in der Spule L1 gespeicherte Energie über den durch den Entladekreis gebildeten Rückstrompfad in die Batterie entladen. Über geeignete Wahl des Tastverhältnisses, das von der Steuereinheit 10 vorgegeben wird, wird bei vorgegebener Generatorspannung V1 die Batterie mit einer Festspannung gespeist.
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Für den Fall, dass die Generatorspannung V1 kleiner als die Batteriespannung ist, wird der Betriebsmodus als Hochsetzsteller aktiviert. Hierzu wird das zweite Schaltelement T2 von der Steuereinheit 10 mit einem geeigneten Tastverhältnis angesteuert, so dass das zweite Schaltelemente T2 kontinuierlich zwischen einem geschlossenen und einem geöffneten Zustand wechselt. Das zweite Schaltelement T2 bildet daher ein wesentliches Element des Hochsetzstellers. Beim Betrieb des Hochsetzstellers ist weiterhin das erste Schaltelement T1 dauerhaft geschlossen, so dass über das erste Schaltelement T1 ein Rückstrompfad gebildet ist. Bei geschlossenem zweiten Schaltelement T2 fließt Strom über die Spule L1 und dem zweiten Schaltelement T2, jedoch nicht über die Batterie BAT1. Dabei wird der Zwischenenergiespeicher (Spule L1) geladen. Bei ausgeschaltetem zweiten Schaltelement T2 wird die in der Spule L1 enthaltene Energie in die Batterie BAT1 entladen. Der Rückstrompfad ist hierbei vorzugsweise über das erste Schaltelement T1 gebildet.
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Wie zu erkennen ist, wird sowohl im Betriebsmodus des Tiefsetzstellers als auch des Hochsetzstellers die im Ausführungsbeispiel einzig vorgesehene Spule L1 als gemeinsamer Zwischenenergiespeicher herangezogen. Weiterhin zeichnet sich die gezeigte Schaltungsanordnung dadurch aus, dass lediglich zwei Leistungstransistoren, nämlich die beiden Schaltelemente T1, T2 verwendet werden. Weitere Leistungstransistoren oder sonstige Leistungsschaltbauteile sind nicht vorgesehen. Weiterhin nutzt die dargestellte Schaltungsanordnung aus, dass der Generator 2 selber nicht mit Masse (Fahrzeugmasse) verbunden ist. Dadurch besteht die Möglichkeit und ist vorgesehen, die Batterie BAT1 vor dem ersten Schaltelement T1 anzuordnen. Durch den vergleichsweise einfachen Aufbau mit wenigen Schaltbauteilen wird zudem auch die Verwendung von günstigen und robusten n-Kanal-MOSFETS oder npn-Transitoren als Leistungsschalter ermöglicht.
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Das Tastverhältnis mit dem die Schaltelemente T1, T2 von der Steuereinheit 10 angesteuert werden, wird im Hinblick auf eine möglichst optimierte Leistungsanpassung geeignet eingestellt. Zur Kontrolle ist hierbei lediglich eine einzige Messanordnung 12 vorgesehen, über die über die Steuereinheit 10 eine Impedanzkontrolle vorgenommen wird. Bei einer Abweichung des Lastwiderstands der Schaltungsanordnung zum Innenwiderstand R1 des Generators 2 wird das Tastverhältnis angepasst.
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Insgesamt eignet sich die hier vorgestellte Schaltungsanordnung für Generatoren 2, die bezüglich ihrer Ausgangsgrößen Spannung und Strom stark variieren, um eine Festspannung in ein Versorgungsnetz, insbesondere in einen Energiespeicher, vorzugsweise eine Batterie einzuspeisen und insbesondere auch noch bei niedriger Spannung eine gute Leistungsausbeute zu haben.
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Eine derartige Schaltungsanordnung wird vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt. Der thermoelektrische Generator 2 ist hierbei an geeigneter Stelle innerhalb des Kraftfahrzeugs, beispielsweise im Bereich des Abgastrakts angeordnet, um eine möglichst hohe Temperaturdifferenz auszunutzen.
