AT510802A1

AT510802A1 - Batterieladesystem für nichtkonstante quellen

Info

Publication number: AT510802A1
Application number: ATA2023/2010A
Authority: AT
Inventors: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Original assignee: Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2012-06-15

Abstract

Verfahren für ein Ladesystem für Batterien aus Quellen (4), wobei der Quelle oder den Quellen konstante vorgegebene Leistung entnommen werden soll, den jeweiligen zu ladenden Batterien ein vorgegebener Strom eingeprägt wird, wobei die Summe der Konverterströme gleich dem optimalen Belastungsstrom der Quelle bzw. der Quellen entspricht. Die Realisierung erfolgt so, dass die zentrale Steuereinheit (1) die Sollwerte (S1, Si, Sn) für die von den einzelnen Ladegeräten (2) aufzunehmenden Ströme so vorgibt, dass der Summeneingangsstrom dem gewünschten zur Gewinnung der maximal möglichen Quellleistung entspricht.

Description

Batterieladesystcm für nichtkonstante Quellen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für ein Ladesystem für Batterien aus Quellen (4), wobei der Quelle oder den Quellen konstante vorgegebene Leistung entnommen werden soll, bzw. eine Vorrichtung zur Ladung von Batterien aus Quellen, denen gleichmäßig Energie entnommen werden sollen, bestehend aus einer zentralen Steuereinheit, Ladegeräten und Batterien.

Besonders bei Inselnetzen mit Solargeneratoren sind Energiespeicher unumgänglich, da das Energieangebot und der Verbrauch zeitlich meist nicht übereinstimmen. Um die elektrische Energie, die aus dem Solargenerator gewonnen wird, optimal zu nutzen, ist der Betrieb im Punkt maximaler Leistung anzustreben. Zur Auffindung dieses Betriebspunktes gibt es zahlreiche Verfahren (maximum power point tracking). Diese werden hier nicht weiter behandelt. In Bezug auf die Ladung der Batterien hat die praktische Erfahrung gezeigt, dass die Lebensdauer der Batterie vom Ladeverfahren abhängt. So zeigt die an sich brutale Methode mit einer gleichgerichteten Wechselspannung und einer vorgeschalteten Spule (die Spule muss dabei nicht nachgeschaltet sein, es kann sich dabei auch um Netzinduktivität und Induktivität des Transformators handeln), d.h. mit Strompulsen von 100 Hz, ein besseres Ergebnis in Bezug auf die Lebensdauer als die Speisung mit einem glatten Gleichstrom hat.

Es wird daher hier vorgeschlagen, mehrere Batterien mit je eigenen Konvertern mit entsprechenden Stromformen so zu laden, dass einerseits die Batterien entsprechend geschont werden und gleichzeitig der optimale Strom aus dem Solargenerator entnommen wird. Eine überlagerte Steuereinheit gibt die erforderlichen Stromsollwerte an die einzelnen Konverter. Die Stromregler können als lineare Regler mit fixer Schaltfrequenz oder als Zweipunktregler mit Hysterese und sich variabel einstellender Frequenz oder als Sliding Mode Regler ausgeführt werden. Die Summe aller Sollwerte für die Ladeströme der einzelnen Batterien und daraus abgeleitet die Summe der Eingangsströme der Konverter soll gleich groß dem vom Maximum Power Point Tracker ermittelten Stromvorgabewert sein.

Als Anwendung des Ladesystems ergeben sich Ladestationen im Bereich der Emobiltät unter besonderer Berücksichtigung des Umweltschutzes, oder Ladesysteme für entlegene Verbraucher z.B. in ländlichen Gebieten in Schwellen- und Entwicklungsländern.

Der Ladevorgang hat Einfluss auf den Ladewirkungsgrad und die Lebensdauer der Batterie. Jede Ladevorrichtung nimmt die Leistung Um · fIN i auf und gibt diese entsprechend dem

Wirkungsgrad des Konverters an die Batterie ab. Es gilt 1 P89/fh/20101206 *♦ » ·» »· Μ · · · · Ρουτ ~ Π' Pjn = Π 'Um inj ~ Uour.i' ^ουτ,ι ·

Es herrscht ein Zusammenhang zwischen dem eigentlichen Ladestrom und dem Eingangsstrom des Konverters und somit kann über den Eingangsstrom auch der Ladestrom geregelt oder gestellt werden. U!N muss gleich dem optimalen Strom entsprechend dem Punkt maximaler Leistung i des Konverters sein.

Die zentrale Steuereinheit ZSE verarbeitet die MPP Algorithmen und die Ladewünsche der einzelnen Ladevorrichtungen. Unter der Annahme, dass Regel/Steuervorrichtungen der einzelnen Ladegeräte funktionieren, kann auch über die zentrale Steuereinheit (ZSE) die zugeführte Ladung protokolliert werden. Wird die Spannung an den Batterien erfasst, kann damit auch die Qualität der Batterien erhoben werden und entsprechende Maßnahmen gesetzt werden, wie z.B. kräftige Ladepulse oder überhaupt gepulste Ladung. Für die Ströme in den einzelnen Ladegeräten kann man Zusammenhänge zwischen dem mittleren Eingangsstrom, mittleren Spulenstrom, mittleren Laststrom und dem Strom in den Halbleiterschaltern herleiten. Damit lassen sich verschiedene Möglichkeiten für die Gewinnung des Istwerts für die Regelung ermitteln. Also man regelt Z.B. den Eingangsstrom, oder den Spulenstrom oder den Strom durch den aktiven Schalter. Letzteres ist vorteilhaft, da der Strom auch aus Sicherheitsgründen durch den aktiven Schalter überwacht werden muss.

Die Figur gibt einen graphischen Überblick über das System. Die Ausgangsspannung (Uin) der Quelle (4) wird als Messgröße der zentralen Steuereinheit (1) zugeführt und ist gleichzeitig die Eingangsspannung für die einzelnen Ladegeräte (2), an deren Ausgang die zu ladenden Batterien (3) angeschlossen sind. Die Batteriespannungen (Ui, Ui, U„) werden ebenfalls der zentralen Steuereinheit (1) zugeführt. Diese gibt ihrerseits die Stromsollwerte (Si, Sj, Sn) für die Ladegeräte (2) vor. In der zentralen Steuereinheit (1) erfolgen die strategischen Entscheidungen wann welches Ladegerät (2) den entsprechenden Stromsollwert (Si, Sj, S„) bekommt. Zusätzlich kann die zugeführte Ladung und die Qualität der einzelnen Batterien protokolliert und als Entscheidungsgrundlage für den Ladealgorithmus verwendet werden.

Der Vorteil des hier behandelten Systems ist, dass immer, auch bei stark schwankenden Stromerfordernissen der Ladegeräte, die Quelle bzw. die Quellen im Punkt maximaler Leistung betrieben werden können. Dies ist natürlich besonders wichtig bei alternativen

Energiequellen wie Solargeneratoren, aber ebenso günstig, wenn als Energiequelle ein P89/fh/20101206 2

Dieselaggregat zur Verfügung steht. Auch hier gibt es besondere Punkte, in denen der Schadstoffausstoss minimal und die Energieumsetzung Treibstoff zu elektrischer Energie optimal ist! Die stark schwankenden Stromerfordemisse der Ladegeräte entstehen dann, wenn die Batterien entsprechend durch pulsförmige Ströme geladen werden sollen, da es je nach Batterietyp unterschiedliche Ladeprozesse gibt, die den Ladungswirkungsgrad bzw. die Lebensdauer der Batterien beeinflussen. Die Vorrichtung stellt ein autarkes Inselsystem dar z.B. eine „grüne“ Solartankstelle für die Emobilität.

Die Aufgabe mehrere Batterien aus einer Quelle der konstanter Leistung zu entnehmen ist wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass den jeweiligen zu ladenden Batterien ein vorgegebener Strom eingeprägt wird, wobei die Summe der Konverterströme gleich dem optimalen Belastungsstrom der Quelle bzw. der Quellen entspricht. Dies wird realisiert dadurch dass die zentrale Steuereinheit (1) die Sollwerte (Si, Sj, Sn) für die von den einzelnen Ladegeräten (2) aufzunehmenden Ströme so vorgibt, dass der Summeneingangsstrom dem gewünschten zur Gewinnung der maximal möglichen Quellleistung entspricht, die zentrale Steuereinheit (1) aus den Sollwerten (Si, Si, Sn) der Ladegeräte (2) und der Eingangsspannung (Uin) die an die Batterien abgegebene Ladung bestimmt und durch Vergleich mit der an den Batterien liegenden Spannung die Qualität und den Ladezustand der Batterien bestimmt, die zentrale Steuereinheit (1) entsprechend dem Ladezustand und der Qualität der Batterien (3) den Ladealgorithmus in Form der Stromsollwerte (Si, Sj, Sn) an die Ladegeräte (2) vorgibt, in der zentralen Steuereinheit (1) die Zusammenhänge zwischen Eingangsstrom und Ausgangsstrom der Ladegeräte (2) abgespeichert sind und zur Vorgabe der Sollwerte (Si, Si, Sn) verwendet werden. Die Vorrichtung kann zur Ladung von Batterien im Bereich der Emobiltat bzw. zur Ladung von Batterien in autarken Inselnetzen verwendet werden. 3 P89/fh/20101206

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren für ein Ladesystem für Batterien aus Quellen (4), wobei der Quelle oder den Quellen konstante vorgegebene Leistung entnommen werden soll, dadurch gekennzeichnet, dass den jeweiligen zu ladenden Batterien ein vorgegebener Strom eingeprägt wird, wobei die Summe der Konverterströme gleich dem optimalen Belastungsstrom der Quelle bzw. der Quellen entspricht.
2. Vorrichtung zur Ladung von Batterien aus Quellen, denen gleichmäßig Energie entnommen werden sollen, bestehend aus einer zentralen Steuereinheit (1), Ladegeräten (2) und Batterien (3) dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinheit (1) die Sollwerte (Si, Sj, Sn) für die von den einzelnen Ladegeräten (2) aufzunehmenden Ströme so vorgibt, dass der Summeneingangsstrom dem gewünschten zur Gewinnung der maximal möglichen Quellleistung entspricht.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinheit (1) aus den Sollwerten (Si, Sj, Sn) der Ladegeräte (2) und der Eingangsspannung (Uin) die an die Batterien abgegebene Ladung bestimmt und durch Vergleich mit der an den Batterien liegenden Spannung die Qualität und den Ladezustand der Batterien bestimmt.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Steuereinheit (1) entsprechend dem Ladezustand und der Qualität der Batterien (3) den Ladealgorithmus in Form der Stromsollwerte (Si, Sj, Sn) an die Ladegeräte (2) vorgibt.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass in der zentralen Steuereinheit (1) die Zusammenhänge zwischen Eingangsstrom und Ausgangsstrom der Ladegeräte (2) abgespeichert sind und zur Vorgabe der Sollwerte (Si, Sj, Sn) verwendet werden.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 2, 3, 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Ladung von Batterien im Bereich der Emobiltät bzw. zur Ladung von Batterien in autarken Inselnetzen verwendet wird. 4 P89/fh/20101206