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Die
Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung und Verfahren zum Betreiben
einer Energiespeicheranordnung, die mindestens zwei Energiespeicherzellen
umfasst, die elektrisch in Reihe zueinander angeordnet sind.
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Derartige
Energiespeicheranordnungen werden beispielsweise in Kraftfahrzeugen,
insbesondere in Hybridfahrzeugen, genutzt zum Speichern und Bereitstellen
von Energie bei kurzzeitig hohem Leistungsanfall oder Leistungsbedarf.
Kurzzeitig hohe Leistung fällt
beispielsweise bei einem Bremsvorgang an, bei dem die Bewegungsenergie
in elektrische Energie gewandelt wird. Kurzzeitig hoher Bedarf an
Leistung herrscht beispielsweise bei einer Beschleunigungsunterstützung mittels
Elektromotor. Als Energiespeicherzellen sind beispielsweise Doppelschichtkondensatoren
vorgesehen. Aufgrund ihrer geringen Spannungsfestigkeit müssen jedoch
im Allgemeinen mehrere Doppelschichtkondensatoren elektrisch in
Reihe zueinander angeordnet werden, um die für ein Kraftfahrzeug-Bordnetz
erforderliche Spannungsfestigkeit von beispielsweise etwa 60 Volt zu
erreichen. Unterschiedliche Selbstentladung der einzelnen Doppelschichtkondensatoren
kann jedoch die Funktion der Energiespeicheranordnung beeinträchtigen.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist, eine Schaltungsanordnung und Verfahren
zum Betreiben einer Energiespeicheranordnung zu schaffen, die einfach sind.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß einem
ersten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch eine Schaltungsanordnung, die
mit einer Energiespei cheranordnung koppelbar ist, die mindestens
zwei Energiespeicherzellen umfasst, die elektrisch in Reihe zueinander
angeordnet sind. Die Schaltungsanordnung umfasst einen Energiezwischenspeicher,
der einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist.
Die Schaltungsanordnung umfasst für jede Energiespeicherzelle
der Energiespeicheranordnung jeweils einen ersten Schalter, der
elektrisch zwischen einem ersten Anschluss der jeweiligen Energiespeicherzelle
und dem ersten Anschluss des Energiezwischenspeichers angeordnet
ist, und umfasst für
jede Energiespeicherzelle der Energiespeicheranordnung jeweils einen
zweiten Schalter, der elektrisch zwischen einem zweiten Anschluss
der jeweiligen Energiespeicherzelle und dem zweiten Anschluss des
Energiezwischenspeichers angeordnet ist. Ferner umfasst die Schaltungsanordnung
eine Steuereinheit, die mit den jeweiligen ersten Schaltern und
den jeweiligen zweiten Schaltern gekoppelt ist. Die Steuereinheit
ist ausgebildet zum Erzeugen von Steuersignalen zum Ansteuern der
ersten und der zweiten Schalter.
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Der
Vorteil ist, dass durch geeignetes Ansteuern der Schalter Ladung
sehr einfach von mindestens einem der mindestens zwei Energiespeicherzellen über ein
Zwischenspeichern in dem Energiezwischenspeicher zu mindestens einer
anderen der mindestens zwei Energiespeicherzellen übertragen
werden kann. Dadurch ist ein einfacher und zuverlässiger Ladungsausgleich
zwischen Energiespeicherzellen möglich.
Ferner ist die Schaltungsanordnung einfach und ist einfach und kostengünstig implementierbar
und integrierbar. Der Energiezwischenspeicher ist beispielsweise
als ein Kondensator ausgebildet. Die Energiespeicherzellen sind
beispielsweise als Kondensatoren und insbesondere als Doppelschichtkondensatoren
ausgebildet.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Schaltungsanordnung
ein Induktivitätselement, das
elektrisch in Reihe zu dem Energiezwischenspeicher und elektrisch
zwischen dem Energiezwischenspeicher und dem jeweiligen ersten oder
zweiten Schalter angeordnet ist. Durch das Induktivitätselement,
den Energiezwischenspeicher und die jeweilige mindestens eine der
mindestens zwei Energiespeicherzellen ist ein Schwingkreis gebildet.
Dies hat den Vorteil, dass ein Strom zur Übertragung der elektrischen
Ladung einen sinusförmigen
Verlauf aufweist und dadurch Stromspitzen bei den Schaltvorgängen der
ersten und/oder zweiten Schaltern zuverlässig vermieden werden. Die
Schaltungsanordnung weist dadurch eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit
auf. Das Übertragen
der Ladung kann so sehr effizient erfolgen. Die Schaltungsanordnung kann
so ferner mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten.
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In
diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit ausgebildet
ist zum Erfassen einer Größe, die
repräsentativ
ist für
einen Strom durch das Induktivitätselement.
Die Schaltungsanordnung umfasst eine Nulldurchgangserkennungseinheit
zum Erkennen eines Nulldurchgangs des Stroms. Die Schaltungsanordnung
ist ferner ausgebildet zum Erzeugen der Steuersignale abhängig von dem
jeweils erkannten Nulldurchgang des Stroms. Bevorzugt ist die Schaltungsanordnung
ausgebildet zum Erzeugen der Steuersignale derart, dass das Schließen und/oder Öffnen der
ersten und der zweiten Schalter im Wesentlichen jeweils zu dem jeweils erkannten
Nulldurchgang des Stroms erfolgt. Dadurch kann das Übertragen
der Ladung besonders effizient erfolgen und die Schaltung weist
so einen besonders hohen Wirkungsgrad auf.
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In
diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn die Steuereinheit eine
Schwingungsphasenerkennungseinheit umfasst zum Erkennen einer Schwingungsphase
des Stroms und ausgebildet ist zum Erzeugen der Steuersignale abhängig von
der jeweils erkannten Schwingungsphase des Stroms. Dadurch ist ein
besonders zuverlässiges
Betriebsverhalten möglich.
Beispielsweise ist die Schwingungsphasenerkennungseinheit als eine
Differenziereinheit ausgebildet oder umfasst eine solche. Insbesondere
ist die jeweilige Schwingungsphase dann anhand eines jeweiligen
Vorzeichens des differenzierten Stroms erkennbar.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Schaltungsanordnung
mit mindestens einer Energiequelle koppelbar.
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Die
Schaltungsanordnung umfasst für
jede der mindestens einen Energiequelle mindestens einen Quellenschalter,
der elektrisch zwischen jeweils einem Anschluss der Energiequelle
und dem ersten oder dem zweiten Anschluss des Energiezwischenspeichers
angeordnet ist. Der Vorteil ist, dass zusätzliche Ladung sehr einfach
von der mindestens einen Energiequelle zu mindestens einer der mindestens zwei
Energiespeicherzellen übertragen
werden kann. Die zusätzliche
Ladung kann durch geeignetes Schalten der Schalter gezielt denjenigen
Energiespeicherzellen zugeführt
werden, die diese zusätzliche
Ladung benötigen,
das heißt,
deren Spannung im Vergleich zu der jeweiligen Spannung anderer der mindestens
zwei Energiespeicherzellen gering ist. Das Laden der Energiespeicherzellen
kann so sehr effizient durchgeführt
werden. Die mindestens eine Energiequelle ist beispielsweise als
eine Batterie, insbesondere eine Kraftfahrzeugbatterie, oder Akkumulator
ausgebildet.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Schaltungsanordnung
eine Spannungserfassungseinheit, die mit dem Energiezwischenspeicher
gekoppelt ist und die ausgebildet ist zum Ermitteln einer Messspannung
abhängig
von einer Spannung des Energiezwischenspeichers. Durch geeignetes
Schalten der Schalter kann die Spannung jeder einzelnen oder mehrerer
der mindestens zwei Energiespeicherzellen sehr einfach durch die
Spannungserfassungseinheit in Form der Messspannung ermittelt werden.
Es muss jedoch nicht für
jede der mindestens zwei Energiespeicherzellen eine eigene Spannungserfassungseinheit
vorgesehen sein. Die Schaltungsanordnung ist dadurch sehr einfach.
Ferner kann abhängig
von den ermittelten Spannungen der Energiespeicherzellen sehr effizient
der Ladungsausgleich gesteuert werden.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren
zum Betreiben einer Energiespeicheranordnung mit mindestens zwei
Energiespeicherzellen, die elektrisch in Reihe zueinander angeordnet
sind. Für
jede Energiespeicherzelle der Energiespeicheranordnung ist jeweils ein erster
Schalter vorgesehen, der elektrisch zwischen einem ersten Anschluss
der jeweiligen Energiespeicherzelle und einem ersten Anschluss eines Energiezwischenspeichers
angeordnet ist. Ferner ist für
jede Energiespeicherzelle der Energiespeicheranordnung jeweils ein
zweiter Schalter vorgesehen, der elektrisch zwischen einem zweiten
Anschluss der jeweiligen Energiespeicherzelle und einem zweiten Anschluss
des Energiezwischenspeichers angeordnet ist. Bei dem Verfahren werden
der erste Schalter und der zweite Schalter, die einer der mindestens zwei
Energiespeicherzellen oder zwei verschiedenen der mindestens zwei
Energiespeicherzellen zugeordnet sind, geschlossen zum Übertragen
von elektrischer Ladung von der mindestens einen der mindestens
zwei Energiespeicherzellen zu dem Energiezwischenspeicher. Der erste
Schalter und/oder der zweite Schalter werden wieder geöffnet. Ferner
werden der erste Schalter und der zweite Schalter, die mindestens
einer anderen der mindestens zwei Energiespeicherzellen zugeordnet
sind, geschlossen zum Übertragen
von elektrischer Ladung von dem Energiezwischenspeicher zu der mindestens
einen anderen der mindestens zwei Energiespeicherzellen.
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Der
Vorteil ist, dass durch dieses Ansteuern der Schalter Ladung sehr
einfach von mindestens einem der mindestens zwei Energiespeicherzellen über ein
Zwischenspeichern in dem Energiezwischenspeicher zu mindestens einer
anderen der mindestens zwei Energiespeicherzellen übertragen
werden kann. Dadurch ist ein einfacher und zuverlässiger Ladungsausgleich
zwischen Energiespeicherzellen möglich.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des zweiten Aspekts weist ein
Strom bei dem Übertragen der
elektrischen Ladung einen sinusförmigen
Verlauf auf. Eine den Strom repräsentierende
Größe wird
erfasst. Ein jeweiliger Zeitpunkt eines Nulldurchgangs des Stroms
wird abhängig
von der Größe ermittelt. Die
jeweiligen ersten und zweiten Schalter werden geöffnet oder geschlossen abhängig von
dem jeweiligen Zeitpunkt des ermittelten Nulldurchgangs. Bevorzugt
werden der erste und der zweite Schalter im Wesentlichen jeweils
zu dem je weils erkannten Nulldurchgang des Stroms geschlossen oder
geöffnet. Dadurch
kann das Übertragen
der Ladung besonders effizient und mit einem besonders hohen Wirkungsgrad
erfolgen.
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In
diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn eine Schwingungsphase
des Stroms abhängig von
der Größe ermittelt
wird und die jeweiligen ersten und zweiten Schalter geöffnet oder
geschlossen werden abhängig
von der jeweiligen ermittelten Schwingungsphase. Dadurch ist ein
besonders zuverlässiges
Betriebsverhalten möglich.
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In
diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, wenn ein Verlauf der den
Strom repräsentierenden Größe differenziert
wird und die jeweilige Schwingungsphase des Stroms abhängig von
einem Vorzeichen der differenzierten Größe ermittelt wird oder die jeweilige
Schwingungsphase des Stroms durch das Vorzeichen der differenzierten
Größe gebildet
wird. Der Vorteil ist, dass dadurch die jeweilige relevante Schwingungsphase
einfach und zuverlässig
erkannt werden kann.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des zweiten Aspekts ist
mindestens eine Energiequelle vorgesehen. Für jede der mindestens einen Energiequelle
ist ferner mindestens ein Quellenschalter vorgesehen, der elektrisch
zwischen jeweils einem Anschluss der Energiequelle und dem ersten oder
dem zweiten Anschluss des Energiezwischenspeichers angeordnet ist.
Bei dem Verfahren wird der mindestens eine Quellenschalter mindestens
einer der mindestens einen Energiequelle geschlossen zum Übertragen
von elektrischer Ladung von dieser mindestens einen Energiequelle
zu dem Energiezwischenspeicher. Der mindestens eine Quellenschalter wird
geöffnet
und der erste Schalter und der zweite Schalter, die einer der mindestens
zwei Energiespeicherzellen oder zwei verschiedenen der mindestens zwei
Energiespeicherzellen zugeordnet sind, werden geschlossen zum Übertragen
von elektrischer Ladung von dem Energiezwischenspeicher zu der mindestens
einen der mindestens zwei Energiespeicherzellen. Der Vorteil ist,
dass zusätzliche
Ladung sehr einfach von der mindestens einen Ener giequelle zu mindestens
einer der mindestens zwei Energiespeicherzellen übertragen werden kann. Die
zusätzliche Ladung
kann so gezielt denjenigen Energiespeicherzellen zugeführt werden,
die diese zusätzliche
Ladung benötigen,
das heißt,
deren Spannung im Vergleich zu der jeweiligen Spannung anderer der
mindestens zwei Energiequellen gering ist. Das Laden der Energiespeicherzellen
kann so sehr effizient durchgeführt
werden.
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Gemäß einem
dritten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch ein Verfahren
zum Betreiben einer Energiespeicheranordnung mit mindestens zwei
Energiespeicherzellen, die elektrisch in Reihe zueinander angeordnet
sind. Für
jede Energiespeicherzelle der Energiespeicheranordnung ist jeweils ein
erster Schalter vorgesehen ist, der elektrisch zwischen einem ersten
Anschluss der jeweiligen Energiespeicherzelle und einem ersten Anschluss
eines Energiezwischenspeichers angeordnet ist. Für jede Energiespeicherzelle
der Energiespeicheranordnung ist ferner jeweils ein zweiter Schalter
vorgesehen, der elektrisch zwischen einem zweiten Anschluss der
jeweiligen Energiespeicherzelle und einem zweiten Anschluss des
Energiezwischenspeichers angeordnet ist. Bei dem Verfahren werden
der erste Schalter und der zweite Schalter, die einer der mindestens zwei
Energiespeicherzellen oder zwei verschiedenen der mindestens zwei
Energiespeicherzellen zugeordnet sind, geschlossen zum Übertragen
von elektrischer Ladung zwischen der mindestens einen der mindestens
zwei Energiespeicherzellen und dem Energiezwischenspeicher. Eine
Größe wird
erfasst, die repräsentativ
ist für
eine Spannung des Energiezwischenspeichers. Die Spannung jeder einzelnen
oder mehrerer der mindestens zwei Energiespeicherzellen kann so
sehr einfach ermittelt werden und kann dadurch auch sehr einfach überwacht
werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft für ein Steuern des Ladungsausgleichs
gemäß dem Verfahren
des zweiten Aspekts. Der Ladungsausgleich kann so sehr einfach und
effizient abhängig
von den ermittelten Spannungen gesteuert werden. Bevorzugt wird
daher das Verfahren gemäß dem zweiten
Aspekt ausgeführt,
nachdem das Verfahren gemäß dem dritten
As pekt ausgeführt
wurde und eine zu korrigierende Abweichung oder Ungleichverteilung
der für
jede Energiespeicherzelle erfassten Spannung festgestellt wurde.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung des dritten Aspekts wird die Größe erst
nach Ablauf einer vorgegebenen Mindestwartezeitdauer nach dem Schließen des
ersten und des zweiten Schalters erfasst. Die vorgegebene Mindestwartezeitdauer
ist vorzugsweise so lang vorgegeben, dass eine etwaige Schwingung
im Wesentlichen abgeklungen ist und eine Spannung des Energiezwischenspeichers
im Wesentlichen einer Spannung der mindestens einen der mindestens
zwei Energiespeicherzellen beträgt. Dadurch
ist ein besonders präzises
Ermitteln der Spannung der mindestens einen der mindestens zwei
Energiespeicherzellen möglich
abhängig
von der erfassten Größe, die
repräsentativ
ist für
die Spannung des Energiezwischenspeichers.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Schaltungsanordnung und eine Energiespeicheranordnung,
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2 die
Energiespeicheranordnung und eine ausführlichere Darstellung einer
Ausführungsform
der Schaltungsanordnung,
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3 ein
Ablaufdiagramm eines ersten Programms und
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4 ein
Ablaufdiagramm eines zweiten Programms.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Eine
Energiespeicheranordnung umfasst mindesten zwei Energiespeicherzellen
Cz, die elektrisch in Reihe zueinander angeordnet sind (1). Die
Energiespeicherzellen Cz sind vorzugsweise als Kondensatoren ausgebildet
und sind insbesondere als Doppelschichtkondensatoren ausgebildet.
Beispielsweise sind ein erster Kondensator C1, ein zweiter Kondensator
C2, weitere, nicht dargestellte Kondensatoren, ein Kondensator Cn – 1 und
ein n-ter Kondensator Cn in der Energiespeicheranordnung vorgesehen,
wobei n die Anzahl der Energiespeicherzellen Cz, also insbesondere
der Kondensatoren, repräsentiert.
Eine solche Energiespeicheranordnung wird beispielsweise in Fahrzeugen
und insbesondere in Kraftfahrzeugen zum Speichern und Bereitstellen
von Energie genutzt, insbesondere bei kurzzeitig hohem Leistungsanfall
oder Leistungsbedarf.
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Aufgrund
begrenzter Spannungsfestigkeit der Energiespeicherzellen Cz und
insbesondere der Doppelschichtkondensatoren werden vorzugsweise mehrere
Energiespeicherzellen Cz elektrisch in Reihe angeordnet und bilden
dadurch die Energiespeicheranordnung. Beispielsweise beträgt eine
maximal zulässige
Spannung der Energiespeicherzellen Cz etwa 2,5 bis 3 Volt. Für ein 42
Volt Kraftfahrzeug-Bordnetz wird beispielsweise eine Spannungsfestigkeit
von etwa 60 Volt gefordert. Die Energiespeicheranordnung umfasst
dann beispielsweise etwa 20 bis 25 solcher Energiespeicherzellen
Cz, die elektrisch in Reihe zueinander angeordnet sind, das heißt die Anzahl
n der Energiespeicherzellen Cz beträgt etwa 20 bis 25. Die Energiespeicheranordnung kann
jedoch auch anders ausgebildet sein.
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Jedoch
weisen die Energiespeicherzellen Cz im Allgemeinen eine unterschiedlich
hohe Selbstentladung auf. Dadurch entsteht im Laufe der Zeit ein Ladungsungleichgewicht
zwischen verschiedenen Energiespeicherzellen Cz der Energiespeicheranordnung,
das zu unterschiedlichen Spannungen der verschiedenen Energiespeicherzellen
Cz führt.
Dadurch kann die Funktion der Energiespeicheranordnung erheblich
beeinträchtigt
werden.
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Eine
Schaltungsanordnung ist vorgesehen, die ausgebildet ist zum elektrischen
Koppeln mit der Energiespeicheranordnung. Die Schaltungsanordnung
umfasst einen Energiezwischenspeicher Cs, der beispielsweise als
ein Kondensator ausgebildet ist. Der Energiezwischenspeicher Cs
weist einen ersten Anschluss A1 und einen zweiten Anschluss A2 auf.
Die Schaltungsanordnung umfasst ferner für jede Energiespeicherzelle
Cz der Energiespeicheranordnung einen ersten Schalter SWa und einen
zweiten Schalter SWb. Der jeweilige erste Schalter SWa ist elektrisch
zwischen einem ersten Anschluss der jeweiligen Energiespeicherzelle
Cz und dem ersten Anschluss A1 des Energiezwischenspeichers Cs angeordnet.
Entsprechend ist der jeweilige zweite Schalter SWb elektrisch zwischen
einem zweiten Anschluss der jeweiligen Energiespeicherzelle Cz und dem
zweiten Anschluss A2 des Energiezwischenspeichers Cs angeordnet.
Insbesondere sind ein erster Schalter SW1a des ersten Kondensators
C1 und ein zweiter Schalter SW1b des ersten Kondensators C1 vorgesehen
und sind entsprechend ein erster Schalter SW2a des zweiten Kondensators
C2, ein zweiter Schalter SW2b des zweiten Kondensators C2, sind
weitere, nicht dargestellte Schalter vorgesehen und sind ein erster
Schalter SWn – 1a
des Kondensators Cn – 1,
ein zweiter Schalter SWn – 1b
des Kondensators Cn – 1,
ein erster Schalter SWna des n-ten Kondensators Cn und ein zweiter
Schalter SWnb des n-ten Kondensators Cn vorgesehen. Die Schalter
sind vorzugsweise als Transistoren ausgebildet, können jedoch
auch anders ausgebildet sein.
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Bevorzugt
umfasst die Schaltungsanordnung auch einen Widerstand R und ein
Induktivitätselement
L, zum Beispiel eine Spule, die elektrisch in Reihe zueinander und
elektrisch in Reihe zu dem Energiezwischenspeicher Cs zwischen diesem
und den Schaltern angeordnet sind. Der Energiezwischenspeicher Cs
und das Induktivitätselement
L bilden einen Schwingkreis.
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Ferner
umfasst die Schaltungsanordnung eine Steuereinheit ST, die ausgangsseitig
mit den Schaltern gekoppelt ist und die ausgebildet ist, ein jeweiliges
Steuersignal zum Ansteuern des jeweiligen Schalters zu erzeugen.
Die Schaltungsanordnung ist vorzugsweise ausgebildet, einen Strom
i oder eine den Strom i repräsentierende
Größe zu erfassen
und die Steuereinheit ST ist vorzugsweise ausgebildet, das jeweilige
Ansteuersignal abhängig
von dem erfassten Strom i beziehungsweise ab hängig von der den Strom i repräsentierenden
Größe zu erzeugen. Aufgrund
des Schwingkreises kann ein zeitlicher Verlauf des Stroms i sinusförmig sein.
Durch geeignets Ansteuern der Schalter kann ein Ladungstransport zwischen
mindestens einem der Energiespeicherzellen Cz und dem Energiezwischenspeicher
Cs dadurch sehr effizient und mit hohem Wirkungsgrad erfolgen. Ferner
können
so Stromspitzen vermieden werden, so dass die Schaltungsanordnung
dadurch eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit aufweisen kann.
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2 zeigt
eine Ausführungsform
der Schaltungsanordnung in ausführlicherer
Darstellung. Die den Strom i repräsentierende Größe ist beispielsweise
ein Spannungsabfall über
dem Widerstand R. Der Widerstand R ist beispielsweise mit einer
Differenzverstärkereinheit
DV gekoppelt, die beispielsweise durch die Steuereinheit ST umfasst
ist. Der Differenzverstärkereinheit
DV wird der Spannungsabfall über dem
Widerstand R eingangsseitig zugeführt. Die Differenzverstärkereinheit
DV ist ausgebildet zum Erfassen und Verstärken des Spannungsabfalls und zum
ausgangsseitigen Bereitstellen des verstärkten Spannungsabfalls.
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Die
Steuereinheit ST umfasst eine Nulldurchgangserkennungseinheit ND
und eine Schaltlogikeinheit SL. Die Differenzverstärkereinheit
DV ist ausgangsseitig mit der Nulldurchgangserkennungseinheit ND
gekoppelt. Die Nulldurchgangserkennungseinheit ND ist ausgebildet,
einen jeweiligen Nulldurchgang des Stroms i abhängig von dem ihr eingangsseitig
zugeführten
verstärkten
Spannungsabfall zu ermitteln, das heißt, den jeweiligen Nulldurchgang
abhängig
von der den Strom i repräsentierenden
Größe zu ermitteln.
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Die
Nulldurchgangserkennungseinheit ND ist ausgangsseitig mit der Schaltlogikeinheit
SL gekoppelt. Die Nulldurchgangserkennungseinheit ND ist ausgebildet,
der Schaltlogikeinheit SL den jeweiligen erkannten Nulldurchgang
zu signalisieren. Die Schaltlogikeinheit SL ist ausgangsseitig mit
einer Treibereinheit TR gekoppelt, die wiederum ausgangsseitig mit
den je weiligen Schaltern gekoppelt ist. Die Schaltlogikeinheit SL
ist ausgebildet zum Erzeugen eines jeweiligen Ansteuersignals zum
Ansteuern des jeweiligen Schalters abhängig von dem jeweiligen signalisierten
Nulldurchgang des Stroms i. Insbesondere ist die Schaltlogikeinheit
SL ausgebildet zum Erzeugen des jeweiligen Ansteuersignals derart,
dass der jeweilige Schalter im Wesentlichen zu einem jeweiligen
Zeitpunkt des Nulldurchgangs des Stroms i geöffnet oder geschlossen wird.
Die Treibereinheit TR umfasst beispielsweise für jeden anzusteuernden Schalter
einen Leistungsverstärker. Dadurch
kann erreicht werden, dass der jeweilige Schalter sehr schnell geöffnet oder
geschlossen werden kann.
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Die
Schaltungsanordnung umfasst vorzugsweise auch eine Schwingungsphasenerkennungseinheit.
Die Schwingungsphasenerkennungseinheit ist ausgebildet zum Erkennen
einer Schwingungsphase und insbesondere zum Erkennen einer Schwingungsphase
in Bezug auf den jeweiligen Nulldurchgang der jeweiligen Schwingung,
das heißt,
ob die Schwingung bei dem jeweiligen Nulldurchgang von einer positiven
Halbwelle zu einer negativen Halbwelle wechselt oder umgekehrt.
Beispielsweise ist die Schwingungsphasenerkennungseinheit als eine
Differenziereinheit DIFF ausgebildet. Die Differenziereinheit DIFF
ist eingangsseitig mit der Differenzverstärkereinheit DV gekoppelt und
ist ausgangsseitig mit der Schaltlogikeinheit SL gekoppelt. Die
Differenziereinheit DIFF ist ausgebildet zum Differenzieren des
zeitlichen Verlaufs des eingangsseitig zugeführten verstärkten Spannungsabfalls über dem
Widerstand R und zum Ermitteln eines Vorzeichens dieses differenzierten
Verlaufs. Das ermittelte Vorzeichen repräsentiert die jeweilige Schwingungsphase
und wird der Schaltlogikeinheit SL eingangsseitig zugeführt, zum
Beispiel in Form eins Eins- oder Nullpegels. Die Schaltlogikeinheit
SL ist vorzugsweise ausgebildet, das jeweilige Ansteuersignal abhängig von
der jeweils erkannten Schwingungsphase und abhängig von dem jeweils erkannten
Nulldurchgang zu erzeugen.
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Zusätzlich zu
der Energiespeicheranordnung kann auch mindestens eine Energiequelle
BAT vorgesehen sein, die beispielsweise als eine Batterie und insbesondere
als eine Fahrzeugbatterie ausgebildet ist. Die Schaltungsanordnung
ist mit der mindestens einen Energiequelle BAT koppelbar. Die Schaltungsanordnung
umfasst mindestens einen Quellenschalter SWBAT, der elektrisch zwischen
der Energiequelle BAT und dem ersten oder zweiten Anschluss A1,
A2 des Energiezwischenspeichers Cs angeordnet ist. In dem in 2 gezeigten
Beispiel ist der Quellenschalter SWBAT elektrisch zwischen der Energiequelle
BAT und dem ersten Anschluss A1 des Energiezwischenspeichers Cs
angeordnet. Die Energiequelle BAT ist ebenso wie die Energiespeicheranordnung
ferner elektrisch mit einem Bezugspotential GND gekoppelt.
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Die
Schaltungsanordnung weist vorzugsweise ferner eine Spannungserfassungseinheit
SH auf, die beispielsweise ein Abtast-Halteglied umfasst oder als Abtast-Halteglied
ausgebildet ist. Die Spannungserfassungseinheit SH ist eingangsseitig
mit dem Energiezwischenspeicher Cs gekoppelt und ist ausgebildet
zum Erfassen einer Spannung des Energiezwischenspeichers Cs und
zum Ermitteln und ausgangsseitigen Bereitstellen einer Messspannung Um.
Die Spannungserfassungseinheit SH ist ausgebildet zum Ermitteln
der Messspannung Um abhängig
von der eingangsseitig zugeführten
Spannung des Energiezwischenspeichers Cs. Die Messspannung Um ist
repräsentativ
für die
Spannung des Energiezwischenspeichers Cs. Durch geeignetes Ansteuern
der Schalter ist die Spannung des Energiezwischenspeichers Cs repräsentativ
für eine
Spannung einer oder mehrerer der Energiespeicherzellen Cz der Energiespeicheranordnung.
Entsprechend kann auch die Messspannung Um repräsentativ sein für die Spannung
einer oder mehrerer der Energiespeicherzellen Cz der Energiespeicheranordnung.
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Bevorzugt
ist die Steuereinheit ST ausgebildet zum Erzeugen der jeweiligen
Ansteuersignale abhängig
von den für
die Energiespeicherzellen Cz jeweils erfassten Messspannungen Um.
Insbesondere ist die Schaltlogikeinheit SL ausgebildet, die jeweils
zu öffnenden
oder zu schließenden
Schalter abhängig
von diesen ermittelten Messspannungen Um zu wählen. Dies ermöglicht einen
sehr effizienten und zielgerichteten Ladungsausgleich zwischen verschiedenen
Energiespeicherzellen Cz der Energiespeicheranordnung oder ein gezieltes
Aufladen von Energiespeicherzellen Cz mit Ladungen, die der Energiequelle
BAT entnehmbar sind.
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3 zeigt
ein Ablaufdiagramm eines ersten Programms. Das Programm dient dem
Ladungsausgleich zwischen verschiedenen Energiespeicherzellen Cz
der Energiespeicheranordnung oder dem gezielten Aufladen von Energiespeicherzellen
Cz mit Ladungen, die der Energiequelle BAT entnehmbar sind. Das
Programm beginnt in einem Schritt S1. In einem Schritt S2 werden
der erste Schalter SWa und der zweite Schalter SWb derart gewählt, dass
elektrisch zwischen diesen mindestens eine der Energiespeicherzellen
Cz angeordnet ist, der Ladung entnommen werden soll. Beispielsweise
werden der erste Schalter SW2a des zweiten Kondensators C2 und der
zweite Schalter SW2b des zweiten Kondensators C2 gewählt. Dann
ist der zweite Kondensator C2 ausgewählt für das Entnehmen von Ladung.
Es können jedoch
ebenso beispielsweise der erste Schalter SW1a des ersten Kondensators
C1 und der zweite Schalter SW2b des zweiten Kondensators C2 gewählt werden.
Dann ist eine Reihenschaltung des ersten und des zweiten Kondensators
C1, C2 ausgewählt
für das
Entnehmen von Ladung. Entsprechend können auch mehr als zwei Energiespeicherzellen Cz
für das
Entnehmen von Ladung ausgewählt
werden. Anstatt jeweils einen der ersten oder zweiten Schalter SWa,
SWb zu wählen,
kann in dem Schritt S2 auch der mindestens eine Quellenschalter
SWBAT gewählt
werden, um die Energiequelle BAT für das Entnehmen von Ladung
auszuwählen.
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In
einem Schritt S3 werden die gewählten Schalter
geschlossen. Durch das Schließen
der Schalter kann ein Stromfluss und somit ein Ladungstransport
erfolgen, wenn die Spannung der gewählten mindestens einen Energiespeicherzelle
Cz beziehungsweise der Energiequelle BAT und die Spannung des Ener giezwischenspeichers
Cs unterschiedlich sind. Die Auswahl des ersten und des zweiten Schalters
SWa, SWb oder des Quellenschalters SWBAT erfolgt daher in dem Schritt
S2 bevorzugt derart, dass die Spannung des Energiezwischenspeichers Cs
geringer ist als die Spannung der gewählten mindestens einen Energiespeicherzelle
Cz oder der Energiequelle BAT. Dann fließt der Strom i von der gewählten mindestens
einen Energiespeicherzelle Cz oder der Energiequelle BAT zu dem
Energiezwischenspeicher Cs.
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Vorzugsweise
wird in einem Schritt S4 ein Zähler
Z initialisiert und gestartet. In einem Schritt S5 wird vorzugsweise
der Strom i oder die den Strom i repräsentierende Größe erfasst.
In einem Schritt S6 wird dann vorzugsweise überprüft, ob der Strom i beziehungsweise
die den Strom i repräsentierende Größe einen
Nulldurchgang aufweist und ob die für ein Beenden der Ladungsentnahme
vorgesehene Schwingungsphase vorliegt. Die für ein Beenden der Ladungsentnahme
vorgesehene Schwingungsphase ist insbesondere durch ein negatives
Vorzeichen der zeitlichen Ableitung des Stroms i beziehungsweise der
den Strom i repräsentierenden
Größe gebildet. Ferner
kann überprüft werden,
ob der Zähler
Z einen vorgegebenen Zählerwert
erreicht hat. Hat der Zähler Z
den vorgegebenen Zählerwert
nicht erreicht und wurde kein Nulldurchgang erkannt oder liegt die
für das
Beenden der Ladungsentnahme vorgesehene Schwingungsphase nicht vor,
dann wird das Programm bevorzugt in einem Schritt S7 fortgesetzt.
In dem Schritt S7 wird der Zähler
Z bevorzugt in Richtung des vorgegebenen Zählerwerts inkrementiert oder
dekrementiert. Das Programm wird in dem Schritt S5 fortgesetzt.
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Wurde
jedoch in dem Schritt S6 der Nulldurchgang erkannt und liegt die
für das
Beenden der Ladungsentnahme vorgesehene Schwingungsphase vor oder
hat der Zähler
Z den vorgegebenen Zählerwert
erreicht, dann wird das Programm in einem Schritt S8 fortgesetzt.
In dem Schritt S8 werden der ausgewählte erste und zweite Schalter
SWa, SWb geöffnet.
In einem Schritt S9 werden entsprechend dem Schritt S2 der erste
und der zweite Schalter SWa, SWb derart gewählt, dass elektrisch zwischen diesen
mindestens eine der Energiespeicherzellen Cz angeordnet ist, der
Ladung zugeführt
werden soll. Entsprechend dem Schritt S3 werden diese ausgewählten Schalter
in einem Schritt S10 geschlossen. Das Schließen der ausgewählten Schalter
erfolgt vorzugsweise im Wesentlichen zu dem Zeitpunkt des Nulldurchgangs
nach dem Öffnen
der zuvor für
das Entnehmen der Ladung geschlossenen Schalter in dem Schritt S8,
also ohne wesentliche Zeitverzögerung.
Jedoch muss sichergestellt sein, dass das Ansteuern der Schalter
so erfolgt, dass keine der Energiespeicherzellen Cz kurzgeschlossen
wird.
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In
einem Schritt S11 wird vorzugsweise entsprechend dem Schritt S4
der Zähler
Z initialisiert und gestartet. In einem Schritt S12 wird vorzugsweise
entsprechend dem Schritt S5 der Strom i oder die den Strom i repräsentierende
Größe erfasst.
In einem Schritt S13 wird vorzugsweise entsprechend dem Schritt
S6 überprüft, ob der
Strom i beziehungsweise die den Strom i repräsentierende Größe einen
Nulldurchgang aufweist und ob die für ein Beenden der Ladungszuführung vorgesehene
Schwingungsphase vorliegt. Die für
ein Beenden der Ladungszuführung vorgesehene
Schwingungsphase ist insbesondere durch ein positives Vorzeichen
der zeitlichen Ableitung des Stroms i beziehungsweise der den Strom
i repräsentierenden
Größe gebildet.
Ferner kann überprüft werden,
ob der Zähler
Z den vorgegebenen Zählerwert
erreicht hat. Der vorgegebene Zählerwert ist
vorzugsweise gleich dem in den Schritten S4 bis S7 genutzten vorgegebenen
Zählerwert.
Die vorgegebenen Zählerwerte
können
jedoch auch unterschiedlich vorgegeben sein.
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Hat
der Zähler
Z den vorgegebenen Zählerwert
nicht erreicht und wurde kein Nulldurchgang erkannt oder liegt die
für das
Beenden der Ladungszuführung
vorgesehene Schwingungsphase nicht vor, dann wird das Programm bevorzugt
in einem Schritt S14 fortgesetzt, der dem Schritt S7 entspricht.
Das Programm wird in dem Schritt S12 fortgesetzt. Wurde jedoch in
dem Schritt S13 der Nulldurchgang erkannt und liegt die für das Beenden
der Ladungszuführung vorgesehene
Schwingungsphase vor oder hat der Zähler Z den vorgegebenen Zählerwert
erreicht, dann wird das Programm in einem Schritt S15 fortgesetzt,
der dem Schritt S8 entspricht. In dem Schritt S15 werden der ausgewählte erste
und zweite Schalter SWa, SWb geöffnet
und das Programm wird in einem Schritt S16 beendet.
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Der
Zähler
Z dient im Wesentlichen dazu, das Entnehmen der Ladung oder das
Zuführen
der Ladung nach Ablauf einer vorgegebenen Zeitdauer seit dem jeweiligen
Start des Zählers
Z in dem Schritt S4 beziehungsweise in dem Schritt S11 zu beenden, falls
der Nulldurchgang nicht rechtzeitig erkannt wird und/oder die erforderliche
Schwingungsphase nicht rechtzeitig vorliegt. Die vorgegebene Zeitdauer
und entsprechend der vorgegebene Zählerwert sind vorzugsweise
so vorgegeben, dass die resultierende Zeitdauer seit dem jeweiligen
Start des Zählers
Z länger
ist als eine halbe Periodendauer der vorzugsweise sinusförmigen Schwingung
des Stroms i während des
Ladungstransports zwischen dem Energiezwischenspeicher Cs und der
jeweils mindestens einen Energiespeicherzelle Cz. Anstatt des Zählers Z
kann auch eine Zeitmesseinrichtung vorgesehen sein, die nach Ablauf
der jeweils vorgegebenen Zeitdauer das Entnehmen oder Zuführen der
Ladung beendet.
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ein Ablaufdiagramm eines zweiten Programms. Das zweite Programm
dient dem Ermitteln der Messspannung Um abhängig von der Spannung des Energiezwischenspeichers
Cs so, dass die Messspannung Um vorzugsweise die Spannung mindestens
einer der Energiespeicherzellen Cz repräsentiert. Das Programm beginnt
in einem Schritt S20. In einem Schritt S21 werden der erste Schalter SWa
und der zweite Schalter SWb derart gewählt, dass elektrisch zwischen
diesen mindestens eine der Energiespeicherzellen Cz angeordnet ist,
deren Spannung in Form der Messspannung Um ermittelt werden soll.
In einem Schritt S22 werden diese ausgewählten Schalter geschlossen.
Durch das Schließen
der Schalter kann der Stromfluss und somit der Ladungstransport
erfolgen, wenn die Spannung der gewählten mindestens einen Energiespeicherzelle Cz
und die Spannung des Energiezwischenspeichers Cs unterschiedlich
sind. Durch den Ladungstransport können sich diese Spannungen
einander angleichen.
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Dazu
wird vorzugsweise so lange gewartet, bis der Ladungstransport und
das Angleichen der Spannungen im Wesentlichen abgeschlossen ist. Beispielsweise
wird dazu in einem Schritt S23 der Zähler Z initialisiert und gestartet.
In einem Schritt S24 wird vorzugsweise überprüft, ob der Zähler Z einenen
vorgegebenen ersten Zählerwert
erreicht hat. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, dann wird der Zähler Z bevorzugt
in einem Schritt S25 in Richtung des vorgegebenen ersten Zählerwerts
inkrementiert oder dekrementiert. Ist die Bedingung in dem Schritt S24
jedoch erfüllt,
dann wird das Programm in einem Schritt S26 fortgesetzt.
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Der
vorgegebene erste Zählerwert
ist bevorzugt so vorgegebenen, dass eine resultierende Zeitdauer
seit dem Start des Zählers
Z jeweils lang genug ist, um das Angleichen der Spannungen des Energiezwischenspeichers
Cs und der mindestens einen Energiespeicherzelle Cz zu ermöglichen.
Der vorgegebene erste Zählerwert
wird vorzugsweise so vorgegeben, dass die resultierende Zeitdauer
mehrere Schwingungsperioden des vorzugsweise sinusförmigen Stroms
i umfasst. Insbesondere ist der vorgegebene erste Zählerwert
abhängig
von einer gewünschten
Genauigkeit vorgegeben, mit der die Messspannung Um die tatsächliche
Spannung der mindestens einen Energiespeicherzelle Cz repräsentieren
soll.
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In
dem Schritt S26 werden der gewählte
erste und zweite Schalter SWa, SWb geöffnet. Die Spannungsmessung
erfolgt beispielsweise mittels der Spannungserfassungseinheit SH.
Es kann vorgesehen sein, die Spannungserfassungseinheit SH nur bei
Bedarf, das heißt,
wenn die Spannung des Energiezwischenspeichers Cs erfasst werden
soll, in einem Schritt S27 durch Schließen mindestens eines weiteren,
der Spannungserfassungseinheit SH zugeordneten Schalters mit dem
Energiezwischenspeicher Cs zu verbinden. Die Spannungserfassungseinheit
SH benötigt
im Allgemeinen eine Mindestwartezeitdauer für das Erfassen der Spannung.
Vorzugsweise wird diese Mindestwartezeitdauer gewartet, bis die
Spannung erfasst ist und die Messspannung Um bereitgestellt werden
kann. Beispielsweise wird dazu der Zähler Z in einem Schritt S28
initialisiert und gestartet. In einem Schritt S29 wird vorzugsweise überprüft, ob der
Zähler
Z einen vorgegebenen zweiten Zählerwert
erreicht hat. Ist diese Bedingung nicht erfüllt, dann wird der Zähler Z bevorzugt
in einem Schritt S30 in Richtung des vorgegebenen zweiten Zählerwerts
inkrementiert oder dekrementiert. Ist die Bedingung in dem Schritt
S29 jedoch erfüllt,
dann wird das Erfassen der Spannung des Energiezwischenspeichers
Cs in einem Schritt S31 beendet und gegebenenfalls der mindestens
eine der Spannungserfassungseinheit SH zugeordnete weitere Schalter geöffnet. Die
abhängig
von der erfassten Spannung des Energiezwischenspeicher Cs ermittelte
Messspannung Um wird ausgangsseitig der Spannungserfassungseinheit
SH bereitgestellt. Das Programm wird in einem Schritt S32 beendet.
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Anstatt
des Zählers
Z kann auch bei dem zweiten Programm eine Zeitmesseinrichtung vorgesehen
sein, die nach Ablauf einer vorgegebenen ersten und zweiten Zeitdauer
das Warten auf das Angleichen der Spannung des Energiezwischenspeichers Cs
und der mindestens einen Energiespeicherzelle Cz beziehungsweise
das Warten auf das Ende des Erfassens der Spannung des Energiezwischenspeichers
Cz beendet. Bevorzugt ist die vorgegebene erste Zeitdauer und entsprechend
der vorgegebene erste Zählerwert
für das
Angleichen der Spannungen des Energiezwischenspeichers Cs und der
mindestens einen Energiespeicherzelle Cz länger vorgegeben als die vorgegebene
zweite Zeitdauer und entsprechend der vorgegebene zweite Zählerwert
für das
Erfassen der Spannung des Energiezwischenspeichers Cs. Insbesondere
ist die vorgegebene zweite Zeitdauer mindestens so lang wie die
Mindestwartezeitdauer für
das Erfassen der Spannung des Energiezwischenspeichers Cs. Bei Verfügbarkeit
einer genügend
schnellen Spannungserfassungseinheit SH kann gegebenenfalls auch
auf die Schritte S28 bis S30 verzichtet werden.
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Bevorzugt
wird das Programm gemäß 4 ausgeführt, bevor
das Programm gemäß 3 ausgeführt wird.
Vorzugsweise wird das Programm gemäß 4 für mindestens
zwei und bevorzugt für alle
der mindestens zwei Energiespeicherzellen Cz der Energiespeicheranordnung
ausgeführt,
um die jeweilige Auswahl der ersten und zweiten Schalter SWa, SWb
in den Schritten S2 und S9 des Programms gemäß 3 abhängig von
der jeweils erfassten Messspannung Um durchführen zu können.