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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laden und/oder Entladen eines elektrischen Energiespeichers gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Lade- und/oder Entladeeinrichtung gemäß Patentanspruch 8.
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Lade- und/oder Entladeeinrichtungen für elektrische Energiespeicher kommen beispielsweise für das Laden von elektrischen Fahrzeugbatterien (z.B. in so genannten "Elektroauto-Ladesäulen“) zum Einsatz. Ein anderer Anwendungsfall liegt in industriellen Anlagen für das Laden und Entladen von Großbatterien zum Stützen von elektrischen Anlagennetzen bei einem Ausfall der Netzspannung. Die über derartige Lade- und/oder Entladeeinrichtungen fließenden elektrischen Ströme liegen dabei üblicherweise bei über 0.5 A, typischerweise bei 0.5 A bis 100 A.
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Energiespeicher werden häufig über einen Stromrichter geladen oder entladen. Der Stromrichter dient beispielsweise im Fall des Ladens des Energiespeichers mit Strom aus einem Wechselspannungsnetz zur Gleichrichtung des Wechselstromes bzw. im Fall des Entladens des Energiespeichers in ein Wechselspannungsnetz zur Erzeugung einer Wechselspannung zur Einspeisung in das Wechselspannungsnetz.
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Werden Energiespeicher, wie z.B. Batterien, über einen Stromrichter mit steuerbaren Schaltgliedern, wie z.B. IGBT-Halbleiterschalter, geladen oder entladen, so entsteht eine geringe Oberwelligkeit des Lade- bzw. Entladestromes. Bei sehr niedrigen Lade- oder Entladeströmen verursacht diese Oberwelligkeit einen schnellen Wechsel zwischen Laden und Entladen, da der Strom infolge seiner Welligkeit Nulldurchgänge hat. Dieser schnelle Wechsel zwischen Laden und Entladen verringert die Lebensdauer des Energiespeichers. Soll ein Energiespeicher über längere Zeit mit geringer Leistung geladen oder entladen werden, wie dies beispielsweise im Fall des Ladens einer Batterie mit Strom aus einer Photovoltaikanlage der Fall sein kann, so geht dies auf Kosten der Lebensdauer des Energiespeichers.
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Es ist deshalb Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Verfahren zum Laden und/oder Entladen eines elektrischen Energiespeichers sowie eine Lade- und/oder Entladeeinrichtung für einen elektrischen Energiespeicher anzugeben, mit denen diese durch die Stromwelligkeit verursachten Probleme ohne zusätzliche konstruktive Maßnahmen zumindest reduziert, vorzugsweise sogar gänzlich vermieden werden können.
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Die Lösung der auf das Verfahren gerichteten Aufgabe gelingt durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1. Die Lösung der auf die Lade- und/oder Entladeeinrichtung gerichteten Aufgabe gelingt durch eine Lade- und/oder Entladeeinrichtung gemäß Patentanspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Laden und/oder Entladen des Energiespeichers für Lade- und/oder Entladeströme oberhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellwertes mit einem zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstrom und unterhalb des Schwellwertes mit einem zeitlich unterbrochenen Gleichstrom.
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Unter einem zeitlich unterbrochenen Gleichstrom wird dabei ein Gleichstrom verstanden, der in seinem zeitlichen Verlauf Unterbrechungen aufweist, d.h. Phasen, in denen er Null beträgt und Phasen, in denen er von Null verschieden ist. Im Unterschied dazu weist der zeitlich unterbrechungsfreie Gleichstrom keine derartigen zeitlichen Unterbrechungen auf, d.h. er ist immer von Null verschieden. Aufgrund der zeitlichen Unterbrechungen kann bei dem zeitlich unterbrochenen Gleichstrom im Vergleich zu dem zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstrom bei gleichem elektrischen Leistungsfluss bzw. Mittelwert des Gleichstromes der Lade- bzw. Entladestrom auf einen höheren Wert angehoben werden. Durch diese Anhebung des Gleichstromes können durch eine Stromwelligkeit verursachte Nulldurchgänge des Lade- bzw. Entladestromes und somit eine Verringerung der Lebensdauer des Energiespeichers zumindest reduziert oder sogar gänzlich vermieden werden. Außerdem können mit der Erfindung zusätzliche konstruktive Maßnahmen und Aufwand für eine Glättung des Lade- bzw. Entladestroms zur Vermeidung einer Verringerung der Lebensdauer des Energiespeichers entfallen.
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Bevorzugt ist der Schwellwert dabei derart gewählt, dass eine Welligkeit des zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstroms keine Stromnulldurchgänge verursacht, denn dann kann eine durch Stromnulldurchgänge verursachte Verringerung der Lebensdauer des Energiespeichers ganz vermieden werden.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind ein zeitlicher Mittelwert des Lade- und/oder Entladestromes bei einem Laden und/oder Entladen mit dem zeitlich unterbrochenen Gleichstrom gleich groß wie ein zeitlicher Mittelwert des Lade- und/oder Entladestromes bei einem Laden und/oder Entladen mit einem unterbrechungsfreien Gleichstrom. Dem Energiespeicher wird dann bei einem Laden und/oder Entladen mit dem zeitlich unterbrochenen Gleichstrom ohne Leistungseinbußen die gleiche elektrische Leistung zugeführt bzw. abgeführt wie bei einem Laden und/oder Entladen mit einem unterbrechungsfreien Gleichstrom.
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Eine besonders einfache Realisierung des zeitlich unterbrochenen Gleichstroms ist dadurch möglich, dass dieser aus einer Pulsfolge, d.h. aus einer zeitlichen Abfolge von Stromimpulsen, besteht. Die Pulsfolge kann dabei auch zeitliche Unterbrechungen aufweisen, d.h. beispielweise aus sich zeitlich wiederholenden Pulssequenzen bestehen. Der zeitliche Abstand zwischen zwei Stromimpulsen bzw. der zeitliche Abstand zwischen zwei Pulssequenzen kann dabei an den Typ des Energiespeichers und falls erforderlich auch an den Zustand des Energiespeichers, im Fall einer Batterie, z.B. an den so genannten SOC (state of charge), angepasst werden. Die Information über den Typ und Zustand des Energiespeichers kann beispielsweise von einem Energiespeicher-Managementsystem erhalten werden. Bei einem Laden oder Entladen des Energiespeichers über einen Stromrichter mit einem Zwischenkreis kann die Pulsenergie besonders einfach aus einer Zwischenkreiskapazität des Zwischenkreises entnommen werden, da die Pulsenergie sehr gering ist und da es sich um kleine Ströme handelt.
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Eine Einstellung eines zeitlichen Mittelwertes des zeitlich unterbrochenen Gleichstroms kann sehr einfach bei zeitlich gleichbleibender Impulsbreite über die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit oder bei gleichbleibender Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit über die Breite der Impulse im Sinne einer Pulsbreitenmodulation oder einer Kombination davon erfolgen. Dies ist bei einer Steuerung/Regelung des Stromes über einen Stromrichter mit steuerbaren Schaltgliedern besonders einfach durch eine entsprechende Ansteuerung der Schaltglieder möglich.
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Besondere Vorteile bietet das erfindungsgemäße Verfahren, wenn der Energiespeicher mit Strom aus einer Photovoltaikanlage geladen wird, da dann bei geringer Sonneneinstrahlung niedrige Ladeströme auch über eine längere Zeit vorliegen können.
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Bei einer erfindungsgemäßen Lade- und/oder Entladeeinrichtung für einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere eine Batterie, mit einer Steuer-/und oder Regelungseinrichtung für einen Lade- und/oder Entladestrom des Energiespeichers, ist die Steuer-/und oder Regelungseinrichtung derart eingerichtet, dass sie für Lade- und/oder Entladeströme oberhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellwertes einen zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstrom und unterhalb des Schwellwertes einen zeitlich unterbrochenen Gleichstrom erzeugt. Die für das erfindungsgemäße Verfahren genannten Überlegungen und Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Lade- und/oder Entladeeinrichtung.
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Bevorzugt ist der Schwellwert derart gewählt, dass eine Welligkeit des zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstroms keine Stromnulldurchgänge verursacht.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung:
- – eine erste Steuer- und/oder Regeleinheit für den zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstrom,
- – eine zweite Steuer- und/oder Regeleinheit für den zeitlich unterbrochenen Gleichstrom und
- – eine Umschaltlogik zum Umschalten zwischen der ersten Steuer- und/oder Regeleinheit und der zweiten Steuer- und/oder Regeleinheit in Abhängigkeit von der Höhe des Lade- und/oder Entladestromes.
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Die erste und die zweite Steuer- und/oder Regeleinheit und die Umschaltlogik können dabei in Hardware und/oder Software realisiert sein.
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Von Vorteil ist die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung derart eingerichtet, dass ein zeitlicher Mittelwert des Lade- und/oder Entladestromes bei einem Laden und/oder Entladen mit dem unterbrochenen Gleichstrom gleich groß ist wie ein zeitlicher Mittelwert des Lade- und/oder Entladestromes bei einem Laden und/oder Entladen mit einem unterbrechungsfreien Gleichstrom.
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Der zeitlich unterbrochene Gleichstrom besteht bevorzugt aus einer Pulsfolge. Die Pulsfolge kann dabei auch aus sich wiederholenden, zeitlich voneinander beabstandeten Pulssequenzen bestehen.
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Eine Einstellung eines zeitlichen Mittelwertes des zeitlich unterbrochenen Gleichstroms kann dann besonders einfach bei zeitlich gleichbleibender Impulsbreite über die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit, bei gleichbleibender Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit über die Breite der Impulse oder über eine Kombination davon erfolgen.
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Gemäß einer konstruktiv besonders einfachen Ausgestaltung umfasst die Lade- und/oder Entladeeinrichtung einen Stromrichter mit steuerbaren Schaltgliedern, wobei die Steuer-/und oder Regelungseinrichtung den Lade- und/oder Entladestrom durch Steuerung der Schaltzustände der Schaltglieder steuert und/oder regelt.
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Von Vorteil ist die Lade- und/oder Entladeeinrichtung eingangsseitig mit einem elektrischen Versorgungsnetz, einer Spannungsquelle, insbesondere einer Photovoltaikanlage, oder einem Verbraucher und ausgangsseitig mit dem Energiespeicher elektrisch verbindbar.
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Die für die vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens genannten Vorteile gelten entsprechend für die jeweils korrespondierenden vorteilhaften Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lade- und/oder Entladeeinrichtung.
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Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gemäß Merkmalen der Unteransprüche werden im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Figuren näher erläutert; darin zeigen:
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1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Lade- und/oder Entladeeinrichtung,
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2 einen möglichen Verlauf eines höheren Ladestromes,
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3 einen möglichen Verlauf eines niedrigeren Ladestromes,
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4 eine erfindungsgemäße Lade- und/oder Entladeeinrichtung und
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5 einen möglichen erfindungsgemäßen Verlauf eines niedrigeren Ladestromes.
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Die 1 zeigt in vereinfachter Form eine aus dem Stand der Technik bekannte Lade- und/oder Entladeeinrichtung 1 für einen elektrischen Energiespeicher in Form einer Batterie 2.
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Eine derartige Lade- und/oder Entladeeinrichtung 1 kommt beispielsweise für das Laden von elektrischen Fahrzeugbatterien (z.B. in so genannten "Elektroauto-Ladesäulen“) zum Einsatz. Ein anderer Anwendungsfall liegt in industriellen Anlagen für das Laden und Entladen von Großbatterien zum Stützen von elektrischen Anlagennetzen bei einem Ausfall der Netzspannung. Die über derartige Lade- und/oder Entladeeinrichtungen fließenden elektrischen Ströme liegen dabei üblicherweise bei über 0.5 A, typischerweise bei 0.5 bis 100 A.
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Die Lade- und/oder Entladeeinrichtung 1 ist für ein Laden eingangsseitig mit einem elektrischen Versorgungsnetz oder einer Spannungsquelle, z.B. einer Photovoltaikanlage, verbindbar. Zum Entladen ist sie mit einem Verbraucher verbindbar, wobei dieser Verbraucher auch ein an ein elektrisches Versorgungsnetz angeschlossener Verbraucher sein kann. Beispielhaft ist in 1 der Fall einer eingangsseitigen Verbindung mit einer Photovoltaikanlage 3 dargestellt.
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Die Lade- und/oder Entladeeinrichtung 1 umfasst einen Stromrichter 4, über den der der Batterie 2 zugeführte Ladestrom bzw. der von der Batterie 2 abgeführte Entladestrom, für beide Fälle in 1 mit „I“ bezeichnet, gesteuert und/oder geregelt wird.
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Der Stromrichter 4 umfasst beispielsweise in einer dem Fachmann bekannten Art und Weise eine Brückenschaltung mit einer oder mehreren andeutungsweise dargestellte Halbbrücken 5 mit jeweils zwei in Serie geschalteten Schaltgliedern 6, bei denen es sich beispielsweise um Halbleiterschalter, insbesondere IGBT-Halbleiterschalter handelt, sowie einen oder mehrere Gleichspannungszwischenkreise 7 mit einer oder mehreren Zwischenkreiskapazitäten 32.
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Die Lade- und/oder Entladeeinrichtung 1 umfasst weiterhin eine Steuer-/und oder Regelungseinrichtung 10 für den Lade- und/oder Entladestrom I der Batterie 2. Die Steuer-/und oder Regelungseinrichtung 10 steuert bzw. regelt den Lade- und/oder Entladestrom I durch eine entsprechende Ansteuerung der Schaltglieder 6 und somit der Schaltzustände des Stromrichters 4.
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Der Stromrichter 4 dient im Fall des Ladens der Batterie 2 mit Strom aus einem Wechselspannungsnetz zur Gleichrichtung des Wechselstromes (d.h. er arbeitet als Gleichrichter bzw. ist als ein Gleichrichter ausgebildet). Im Fall des Entladens der Batterie 2 in ein Wechselspannungsnetz dient der Stromrichter 4 zur Erzeugung einer Wechselspannung zur Einspeisung in das Wechselspannungsnetz (der Stromrichter 4 arbeitet dann als ein Wechselrichter bzw. ist als ein Wechselrichter ausgebildet). Für den Fall, dass der Stromrichter 4 eingangsseitig mit Gleichstrom aus einer Photovoltaikanlage gespeist wird, arbeitet er als ein Gleichstromsteller bzw. ist als ein Gleichstromsteller ausgebildet.
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Wird die Batterie 2 über den Stromrichter 4 geladen oder entladen, so entsteht – wie in 2 für den Fall eines höheren Ladestromes für die Batterie 2 über der Zeit t dargestellt – ein zeitlich unterbrechungsfreier Strom I’ mit einer geringen Oberwelligkeit und einem zeitlichen Mittelwert M.
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Wie in 3 beispielhaft für den Fall eines vergleichsweise niedrigeren Ladestroms über der Zeit t dargestellt, verursacht die Oberwelligkeit bei sehr niedrigen Lade- oder Entladeströmen I einen schnellen Wechsel des zeitlich unterbrechungsfreien Stroms I’ zwischen Laden (wenn I’ > 0) und Entladen (wenn I’ < 0), da der Strom I’ infolge seiner Welligkeit Nulldurchgänge hat. Dieser schnelle Wechsel zwischen Laden und Entladen verringert die Lebensdauer der Batterie 2.
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Soll die Batterie 2 beispielsweise über längere Zeit mit geringer Leistung geladen werden, wie dies beispielsweise im Fall des Ladens der Batterie 2 mit Strom aus der Photovoltaikanlage 3 der Fall sein kann, so geht dies auf Kosten der Batterielebensdauer.
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Bei einer in 4 dargestellten erfindungsgemäßen Lade- und/oder Entladeeinrichtung 1 ist die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 derart eingerichtet, dass sie über den Stromrichter 4 für Lade- und/oder Entladeströme oberhalb eines vorgegebenen oder vorgebbaren Schwellwertes S (siehe 2) einen zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstrom und unterhalb des Schwellwertes S einen zeitlich unterbrochenen Gleichstrom erzeugt.
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Die Steuer-/und oder Regelungseinrichtung 10 umfasst hierzu
- – eine erste Steuer- und/oder Regeleinheit 11 für den zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstrom,
- – eine zweite Steuer- und/oder Regeleinheit 12 für den zeitlich unterbrochenen Gleichstrom und
- – eine Umschaltlogik 13 zum Umschalten zwischen der ersten Steuer- und/oder Regeleinheit 11 und der zweiten Steuer- und/oder Regeleinheit 12 in Abhängigkeit von der Höhe des Lade- bzw. Entladestromes I.
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Die erste und die zweite Steuer- und/oder Regeleinheit 11, 12 und die Umschaltlogik 13 können dabei in Hardware und/oder Software realisiert sein.
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Die Umschaltlogik 13 ist zur Messung des Lade- bzw. Entladestromes I mit einem zwischen den Stromrichter 4 und der Batterie 2 geschalteten Stromsensor 14 für den Lade- bzw. Entladestrom I verbunden und umfasst ein Vergleichsglied 15 zum Vergleich des gemessenen Lade- bzw. Entladestromes I mit dem in dem Vergleichsglied 15 abgespeicherten, von dem Vergleichsglied 15 ermittelten oder von extern vorgebbaren Schwellwert S und ein Schaltglied 16 zur Umschaltung zwischen den Steuer- und/oder Regeleinheiten 11, 12.
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Wie in 5 wiederum beispielhaft für den Fall eines vergleichsweise niedrigeren Ladenstromes I über der Zeit t dargestellt, erfolgt das Laden bzw. Entladen der Batterie 2 für Ladeströme bzw. Entladeströme I dann unterhalb des Schwellwertes S mit einem zeitlich unterbrochenen Gleichstrom I*. Die zeitlichen Unterbrechungen und ein Sollwert des zeitlich unterbrochenen Gleichstroms I* sind dabei derart aufeinander abgestimmt, dass ein zeitlicher Mittelwert des Ladestromes bzw. Entladestromes gleich groß ist wie ein zeitlicher Mittelwert des Ladestromes bzw. Entladestromes bei einem Laden mit einem unterbrechungsfreien Gleichstrom I’ mit einem entsprechend geringeren Sollwert aber gleichem elektrischen Leistungsfluss. Der Schwellwert S ist dabei derart gewählt, dass eine Welligkeit des zeitlich unterbrechungsfreien Gleichstroms keine Stromnulldurchgänge verursacht.
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Der zeitlich unterbrochene Gleichstrom besteht hierzu aus einer Pulsfolge 20, die wiederum aus sich wiederholenden, zeitlich voneinander beabstandeten Pulssequenzen 21 besteht. Jede der Pulssequenzen 21 besteht wiederum aus einer Abfolge von einzelnen Stromimpulsen 22.
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Durch das Pulsen des Stromes mit einem im Vergleich zu einem unterbrechungsfreien Gleichstrom höheren Wert können Stromnulldurchgänge und somit eine Verringerung der Lebensdauer der Batterie 2 sicher vermieden werden.
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Eine Einstellung des zeitlichen Mittelwertes des zeitlich unterbrochenen Gleichstroms I* kann durch die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 bei zeitlich gleich bleibender Impulsbreite über die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit, bei gleich bleibender Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit über die Breite der Impulse im Sinne einer Pulsbreitenmodulation oder alternativ über eine Kombination davon erfolgen.
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Wie aus 5 ersichtlich ist, ist eine zeitliche Unterbrechung zwischen zwei Pulssequenzen 21 deutlich größer als eine zeitliche Unterbrechung zwischen zwei Impulsen 22 innerhalb einer Pulssequenz 21.
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Die Anzahl der Impulse 22, der zeitliche Abstand zwischen zwei Impulsen 22 oder der zeitliche Abstand zwischen zwei Pulssequenzen 21 kann durch die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 an den Typ der Batterie 2 und auch an den Zustand der Batterie 2, z.B. an den sogenannten SOC (state of charge), angepasst werden. Eine Information über den Typ T und Zustand Z der Batterie 2 kann die Steuer- und/oder Regelungseinrichtung 10 beispielsweise von einem Batterie-Managementsystem 30 der Batterie 2 erhalten, mit dem es über eine Kommunikationsverbindung 31 verbunden ist.
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Die Pulsenergie für die Stromimpulse 22 kann einer Zwischenkreiskapazität 32 des Zwischenkreises 7 des Stromrichters 4 entnommen werden, da die Pulsenergie sehr gering ist und da es sich um kleine Ströme handelt.
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Bei dem Ausführungsbeispiel beträgt der Schwellwert S beispielsweise 0,6 ... 0,8 A. Die Impulse 22 haben beispielsweise einen Maximalwert von 1,0 ... 1,2 A und eine Breite von 1 ... 10 ms (Netz- oder Regelungswelligkeit), wobei eine Pulssequenz 21 aus z.B. vier Impulsen 22 besteht und die Pulssequenzen 21 wiederum einen zeitlichen Abstand von z.B. zweimal der Breite der Pulssequenzen 21 haben. Durch den Abstand der Impulsbreiten kann der effektive Strommittelwert eingestellt werden.
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Zusammengefasst lässt mit der vorstehend beschriebenen Lade- und/oder Entladeeinrichtung 1 und dem beschriebenen Verfahren die Batterie 2 über längere Zeit mit geringer Leistung laden oder entladen, wie dies beispielsweise im Fall des Ladens einer Batterie mit Strom aus der Photovoltaikanlage 3 der Fall sein kann, ohne dass hierdurch die Lebensdauer der Batterie 2 beeinträchtigt wird.
