DE102004037330A1

DE102004037330A1 - Autarke Stromversorgungseinrichtung

Info

Publication number: DE102004037330A1
Application number: DE200410037330
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. Lang
Original assignee: Solarc Innovative Solarprodukte GmbH
Current assignee: Solarc Innovative Solarprodukte GmbH
Priority date: 2004-07-28
Filing date: 2004-07-28
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2024-07-29
Also published as: DE102004037330B4

Abstract

An autarken Stromversorgungseinrichtungen werden Verbraucher mobil betrieben. Als primärer Energielieferant dient beispielsweise ein Solargenerator. Zur Aufrechterhaltung eines kontinuierlichen Versorgungsbetriebes ist bei schwankender Energiezufuhr eine Pufferbatterie erforderlich. Aus dem Stand der Technik sind autarke Stromversorgungseinrichtungen bekannt, deren Regelelektronik die bereitgestellte und abgeforderte Energiemenge nicht gleichermaßen zuverlässig berücksichtigt. Für eine autarke Stromversorgungseinrichtung mit einer den optimalen Wirkungsgrad des gesamten Systems berücksichtigenden Regelelektronik weist die erfindungsgemäße autarke Stromversorgungseinrichtung einen auf den Verbraucher in seiner Leistung abgestimmten Generator und eine Regelelektronik auf, die die Ausgangsleistung P¶A¶ auf einen konstanten Wert begrenzt, der oberhalb der für den Verbraucher minimal erforderlichen Betriebsleistung P¶Vmin¶ liegt. Im Direktbetrieb (I) wird der Verbraucher ausschließlich direkt versorgt. Im Überschussbetrieb (III) wird auch die Pufferbatterie geladen. Im Pufferbetrieb (III) liegt die aktuelle bereitgestellte Generatorleistung P¶G¶, die unter normalen Betriebsbedingungen zwischen einer minimalen Generatorleistung P¶Gmin¶ und einer maximalen Generatorleistung P¶Gmax¶ schwanken kann, unterhalb der Ausgangsleistung P¶A¶, und es wird Entladeleistung P¶P-¶ aus der Pufferbatterie abgefordert. Durch diese Betriebsweise wird eine kontinuierliche Versorgung des ...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine autarke Stromversorgungseinrichtung zur netzunabhängigen kontinuierlichen Energieversorgung von zumindest einem angeschlossenen elektrischen Verbraucher mit zumindest einem Generator, einer Pufferbatterie, einer Regelelektronik mit Gleichspannungswandler zur verbraucherangepassten Einstellung von Ausgangsleistung und Ausgangsspannung.

Derartige Einrichtungen dienen dazu, kleinere Stromverbraucher netzunabhängig, d.h. entweder unter Einsatzbedingungen, in denen keine Netzversorgung zur Verfügung steht, oder durch die gezielte Nutzung alternativer Energieformen zu betreiben. In der Regel verfügen solche Geräte über einen integrierten Solargenerator als primäre Energiequelle und sind mit dessen Auslegung und darüber hinaus mit ihrer Regelelektronik an eine wohldefinierte Kategorie von Verbrauchern angepasst, die sie je nach Sonnenstand und technischer Ausstattung unterschiedlich wirksam versorgen. Ebenso sind Generatoren einsetzbar, die beispielsweise mit Kraftstoff, Wind oder manuell betrieben werden. Die Stromversorgungseinrichtungen verfügen in der Regel über eine Pufferbatterie, die es erlaubt, Verbraucher vorübergehend auch bei fehlender primärer Energieversorgung, z.B. in der Nacht, oder bei nicht ausreichender primärer Energieversorgung, z.B. in der dunkleren Jahreszeit, in der Dämmerung oder bei dichten Wolken weiter zu betreiben. Beim Einsatz eines Solargenerators wird bei hoher Sonneneinstrahlungsrate die Pufferbatterie wieder aufgeladen. Bei Geräten ohne Pufferbatterie erfolgt immer ein direkter Betrieb, was je nach Verfügbarkeit der Primärenergie zu starken Leistungsschwankungen führt.

Autarke Stromversorgungseinrichtungen sind in verschiedenen Ausprägungen und für die unterschiedlichsten Einsatzfälle bekannt. Z.B beschreibt das deutsche Gebrauchsmuster DE 299 14 308 eine mobile netzunabhängige Hybrid-Energieversorgungseinheit für den Betrieb von Gleich- und Wechselstromgeräten, die primärseitig auch den Anschluss von Kleingeneratoren zulässt und sekundärseitig einen Wechselrichter aufweist. Das Gerät verfügt über eine Pufferbatterie und individuelle Regelelektroniken für verschiedene Einspeisungen von Generatoren aller Art und vom Netz. Eine Einrichtung zum Schutz vor Tiefentladung und Überladung der Pufferbatterie ist vorhanden. Das Ziel ist, eine robuste Versorgungseinheit für den Betrieb von weitgehend beliebigen Kleingeräten fernab von stationären Versorgungen nach dem „plug and play-Prinzip" zur Verfügung zu stellen. Es wird dazu durch die in Bezug auf die angeschlossenen Energiequellen individuellen Regelelektroniken zwar auf die unterschiedlichen Charakteristiken der verschiedenen primären Generatoren Rücksicht genommen, es gibt aber keine Möglichkeit, den Retrieb auf die Bedarfssituationen verschiedener Verbraucherkategorien individuell einzustellen. Es wird dabei der Laderegelung und dem Ladezustand der Pufferbatterie überlassen, hier einen Gleichgewichtszustand herzustellen. Bei leerlaufender Pufferbatterie bei ungenügender primärer Energiebereitstellung durch die Generatoren ist eine Vorrangregelung für die Batterieladung nicht vorgesehen.

Eine andere Gruppe von Geräten verfolgt jeweils genauer bestimmte Ziele und verfügt regelmäßig über eine definierte primäre Einspeisung, z.B. von einem Solargenerator, und einen einzigen, häufig integrierten Verbraucher. Hiermit sind insbesondere alle solarbetriebenen Kleinleistungsgeräte umschrieben. Beispiele dafür sind Armbanduhren, Taschenrechner, Wetterstationen, Batterieladegeräte, Taschenlampen usw. Aus der Patentliteratur seien (1) ein Nachladesystem für Kraftfahrzeuge ( DE 101 18 728 ), (2) eine Straßenleuchte ( DE 41 07 107 ), (3) eine Solarmaus ( DE 195 47 531 ), (4) ein dekoratives Objekt ( DE 203 11 011 ) und (5) ein Kleinleistungs-Haushaltsgerät ( DE 197 34 557 A1 ) genannt. Das Nachladesystem (1) zur Aufrechterhaltung einer Batteriemindestladung bei auf Lagerplätzen abgestellten und stillgelegten Fahrzeugen weist eine Regelelektronik mit Spannungsdetektor auf, mit dem zwischen einem unteren Schwellwert zu Ladungsbeginn und einem oberen Schwellwert bei Ladungsende eine Ladefunktion nach dem Pulsladeverfahren ermöglicht wird. Hiermit wird eine auf die bekannten Verhältnisse für diesen Einsatz optimierte Ladecharakteristik bereitgestellt. Die Straßenleuchte (2) weist eine Mikroprozessorsteuerung auf, mit deren Hilfe der weitgehend einstrahlungsproportionale Ladungszustand der Pufferbatterie auf die nächtliche Leuchtdauer umgerechnet und die Umschaltung zwischen Tag- und Nachtbetrieb programmierbar tages- und jahreszeitlich individuell vorgenommen wird. Die Regelelektronik ist bis auf die Leistungsendstufe in die Prozessorsteuerung integriert. Die Solarmaus (3), ein Computersteuergerät, enthält eine Regelelektronik, der für batteriegepufferten Betrieb der Koordinatenerfassung und der Funkübertragung sorgt. Das dekorative Objekt (4) enthält im wesentlichen eine solargespeiste Leuchte mit einer Pufferbatterie und einer Regelelektronik, die, manuell eingestellt auf den jeweils verwendeten Batterietyp, für eine optimale Beleuchtung des Objekt sorgt. Bei dem Kleinleistungs-Haushaltsgerät gemäß (5) wird als Normalbedingung ein geringe Sonneneinstrahlung angenommen. Dem angepasst wird eine Ladekennlinie der integrierten Pufferbatterie konzipiert, die eine langsame Aufladung und eine sehr schnelle Entladung umsetzt.

Aus dem Stand der Technik sind noch weitere Ladegeräte, Lademodule, Solargeneratoren usw. bekannt, die alle mehr oder weniger individuelle Zwecke verfolgen und angepasste Ladekennlinien aufweisen. Diese Geräte stellen jedoch keine weitergehenden Erkenntnisse zur Verfügung für ein optimales Zusammenspiel zwischen dem Generator einer autarken Stomversorgungseinrichtung und dem Verbraucher. So kommt es beispielsweise bei solargeladenen Handys immer wieder dazu, dass dieses während des Ladevorganges ständig an- und ausgeschaltet wird, was einen hohen Leistungsverlust bedeutet. Die Ursache hierfür liegt in dem schnellen Ladestromabfluss bei höchster Ladeleistung, entweder direkt aus dem Solargenerator oder auch aus der Pufferbatterie, wodurch sich bei einer Unterschreitung einer Mindestleistung der Verbraucher abschaltet. Das individuelle System aus Generator, Regelelektronik, Pufferbatterie und Verbraucher ist bei einem universell einsetzbaren Gerät durch die Variation der Komponenten komplex und kann nicht ohne besondere Maßnahmen in allen Fällen auf optimalen Betriebspunkten gefahren werden. Diese Belange werden von keinem der vorgestellten Geräte in vollem Umfang berücksichtigt. Eine erste Abhilfe bietet hier die für die Erfindung gattungsbildende universelle Energieversorgungseinheit gemäß der DE 199 28 809 A1 , von der die vorliegende Erfindung als nächstliegendem Stand der Technik ausgeht. Bei dieser autarken Stromversorgungseinrichtung in Form eines universellen Ladegeräts, das ebenfalls mit einem Solargenerator betrieben werden kann, wird durch elektronische Mittel in einem speziellen Adapterkabel die zur Verfügung gestellte Ausgangsspannung dem jeweilig angeschlossenen Verbraucher angepasst. Dabei ist jedoch keine Anpassung der Ausgangsleistung an einen typischen Generator-Leistungsbereich vorgenommen, sodass der integrierte Generator nicht immer im maximalen Arbeitspunkt betrieben wird. Dementsprechend wird auch schnell die Pufferbatterie in Anspruch genommen und der Ladebetrieb in Abhängigkeit von der aktuellen eingestrahlten Sonnenleistung und dem Ladezustand der Pufferbatterie oszillierend gefahren.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten autarken Stromversorgungseinheiten sind zusammenfassend somit folgende Nachteile zu erkennen:

• schwankender Betriebsstrom in den Verbraucher im Falle eines ungepufferten Betriebs, dabei oftmals korrekter Betrieb des Verbrauchers nur oberhalb bestimmter Energieschwelle (z.B. volle Sonneneinstrahlung bei Solargenerator) möglich
• abnehmender Pufferbatterieladungszustand bis zum Zusammenbrechen der Energieversorgung im Falle eines im Verhältnis zur abgeforderten Leistung zu schwach dimensionierten Generators, dabei schlechterer Wirkungsgrad durch die Lade-/Entladeverluste in der Pufferbatterie als bei ungepuffertem Betrieb
• prinzipiell undefiniertes Betriebsverhalten durch fehlende Abstimmung zwischen der Generatorleistung und der Leistung des externen Verbrauchers.

Die Versorgung des Verbrauchers soll vielmehr durch die Stromversorgungseinrichtung möglichst kontinuierlich und dauerhaft bei optimalen Wirkungsgrad erfolgen. Insbesondere bei der Verwendung von primären Quellen regenerierbarer Energie, wie Solargeneratoren oder Windgeneratoren, ist eine gleichmäßige Einspeisung über längere Perioden aber eher die Ausnahme und von Natur aus schon durch tages- und jahreszeitliche Schwankungen begrenzt. Natürlich kann für eine weitgehend ungeregelte Direktspeisung des Verbrauchers durch den Generator dieser stark überdimensioniert ausgelegt werden. Nur wird diese Vorgehensweise ein überproportional großes und teures Gerät hervorbringen, das nicht marktfähig wäre. Es ist also ein intelligenter Ansatz für einen Kompromiss zwischen wünschenswertem Energiemanagement einerseits und Kosten andererseits zu machen.

Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist daher darin zu sehen, bei einer gattungsgemäßen autarken Stromversorgungseinrichtung die Funktion der Regelelektronik auf die Steuerung und Regelung der Leistung des Verbrauchers auszudehnen und dadurch einen kontinuierlichen Betrieb und Ladevorgang des Verbrauchers zu ermöglichen. Es soll eine autarke Stromversorgungseinrichtung zur Verfügung gestellt werden, durch die der Verbraucher auch bei unkonstanter Generatorleistung mit einer stabilen Leistung versorgt werden kann und dabei ein in allen Betriebszuständen maximaler Wirkungsgrad erzielt wird. Die erfindungsgemäße Lösung für diese Aufgabe ist dem Hauptanspruch zu entnehmen. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen autarken Stromversorgungseinrichtung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und werden im Folgenden im Zusammenhang mit der Erfindung näher erläutert.

Bei der vorliegenden Erfindung erfolgt eine Auslegung des Generators und der nachgeschalteten Regelelektronik bzw. des integrierten Gleichspannungswandlers derart, dass der Verbraucher innerhalb eines typischen Generator-Leistungsbereiches unter normalen Arbeitsbedingungen direkt versorgt werden kann und dabei eine ideale Ankopplung des maximalen Arbeitspunktes des Generators (MPP) an den Arbeitspunkt des Verbrauchers erfolgt. Somit wird die Energieversorgung des Verbrauches in diesem Leistungsbereich mit maximalem Wirkungsgrad durchgeführt. Weiterhin erfolgt eine Einbindung des Gleichspannungswandlers in die Regelelektronik, die die Ausgangsleistung auf eine konstante Ausgangsleistung P_A begrenzt und auftretende überschüssige Leistung verlustarm in einen Pufferakku speichert, solange dieser Ladebedarf hat. Die konstante Ausgangsleistung P_A liegt dabei oberhalb der für den Verbraucher gegebenen unteren, minimal erforderlichen Verbraucherbetriebsleistung P_Vmin und sichert damit dessen dauerhafte Stromversorgung. Bei Unterschreiten der konstanten Ausgangsleistung P_A durch die aktuelle Generatorleistung P_G wird dann von der Regelelektronik die Differenzleistung aus dem Pufferakku ergänzt. Die Festlegung der konstanten Ausgangsleistung oberhalb der unteren minimal erforderlichen Verbraucherbetriebsleistung P_Vmin ist auch abhängig vom Arbeitsbereich des Generators unter normalen Betriebsbedingungen. Um sicherzustellen, dass unter diesen Bedingungen auch auf jeden Fall die Pufferbatterie geladen wird (und nicht anormal extreme Bedingungen abgewartet werden müssen), wird die konstante Ausgangsleistung P_A in den Bereich unterhalb der minimalen Generatorleistung P_Gmin unter normalen Betriebsbedingungen gelegt. Im Grenzfall können die beiden Leistungen gleich sein. Die Festlegung der konstanten Ausgangsleistung P_A ist somit ein erfahrungsabhängiges Optimierungsproblem, das die normalen Betriebsbedingungen des Generators mit einer optimalen Leistungsabgabe und die Leistungseigenschaften des Verbrauchers und der Pufferbatterie umfasst. In jedem Fall wird jedoch der interne Energiefluss durch die Regelelektronik mit einem maximalen Wirkungsgrad geregelt.

Dieser Kompromiss schließt weiterhin mit ein, dass für eine Klasse anschließbarer Verbraucher jeweils ein von einer unteren und einer oberen Grenze eingeschlossener Bereich der Einschaltdauer und der Betriebsleistung angenommen wird. Aus dieser Vorgabe folgt die Wahl des oder der einspeisenden primären Generatoren und Pufferbatterien, deren Kapazität derart gewählt sein sollte, dass der Verbraucher zuverlässig bei konstanter Leistung mit einer für einen zufriedenstellenden Betrieb notwendigen Energiemenge bei optimalem Wirkungsgrad versorgt werden kann. Die Steuerung der Komponenten und die Regelung von Strömen und Spannungen zur Erreichung dieses Ziels bei den verschiedenen Betriebszuständen innerhalb der Auslegungsgrenzen übernimmt die Regelelektronik. Ausgehend von einem der freien Sonnenbestrahlung ausgesetzten Solargenerator als primärer Energiequelle mit einem Bereich der eingestrahlten Sonnenlichtintensität zwischen 500 W/m² und 1000 W/m² unter normalen Betriebsbedingungen werden nachfolgend die drei verschiedenen Betriebszustände der autarken Stromversorgungseinrichtung nach der Erfindung beispielhaft zur Erläuterung der Funktionsweise der Regelelektronik herangezogen.

Im ersten Betriebszustand, dem „Direktbetrieb", entspricht die aktuell erzeugte Generatorleistung genau der konstanten Ausgangsleistung. Der Verbraucher wird direkt und ausschließlich vom Generator in dessen MPP betrieben, die gesamte erzeugte Leistung fließt zu ihm, die Pufferbatterie wird weder genoch entladen. Da die konstant gehaltene Ausgangsleistung jedoch unterhalb des Leistungsbereiches des Generators unter normalen Betriebsbedingungen liegt, wird sich unter den oben beispielhaft definierten Bedingungen ein zweiter Betriebszustand, der „Überschussbetrieb", einstellen, bei dem die aktuelle bereitgestellte Generatorleistung die konstante Ausgangsleistung übersteigt. Der Verbraucher wird zwar wieder direkt und ausschließlich vom Generator versorgt (insofern handelt es sich auch beim Überschussbetrieb um einen „Direktbetrieb"), darüber hinaus wird jedoch die Überschussdifferenz zum Laden der Pufferbatterie genutzt, bis diese aufgeladen ist. Hier wird ersichtlich, dass die konstante Ausgangsleistung P_A nicht in den Bereich der maximalen Generatorleistung P_Gmax gelegt werden kann, da dann eine Ladung der Pufferbatterie nur in einem anormalen Betriebszustand erreicht werden würde. Nach der Volladung der Pufferbatterie kann die Überschussdifferenz ungenutzt bleiben oder auch dem Verbraucher zugeführt werden, sodass in diesem Fall die konstante Ausgangsleistung vorübergehend erhöht wird, um den Verbraucher mit mehr Leistung zu versorgen, beispielsweise für den schnellen Ladevorgang des Akkumulators eines Handys. Der grundsätzliche Vorteil der Stromversorgungseinrichtung nach der Erfindung liegt zwar in der kontinuierlichen Stromversorgung des Verbrauchers unterhalb seiner maximalen Versorgungsleistung. Das schließt aber nicht aus, dass im Fall einer zur Verfügung stehenden Überschussleistung diese, wenn die Pufferbatterie der Stromversorgungseinrichtung vollgeladen ist, dem Verbraucher zugeführt wird.

Im dritten Betriebsfall, dem „Pufferbetrieb", der aufgrund der Festlegung der konstanten Ausgangsleistung P_A der Stromversorgungseinrichtung wieder seltener eintreten wird, reicht die aktuelle bereitgestellte Generatorleistung nicht aus, den Verbraucher allein zu versorgen. Hier wird zusätzlich Energie aus der Pufferbatterie abgezogen, um den Verbraucher oberhalb seiner minimal erforderlichen Verbraucherbetriebsleistung P_Vmin bzw. bei der konstanten Ausgangsleistung P_A zu versorgen. Die vom Generator in seinem MPP zur Verfügung gestellte Generatorleistung wird dabei immer noch direkt und ausschließlich dem Verbraucher zugeführt (insofern ist auch dieser Betriebszustand ein „Direktbetrieb", aber eben aus Sicht des Verbrauchers kein ausschließlicher). Im Extremfall kann die Generatorleistung jedoch auf Null zurückgehen (keine Sonne, kein Wind, keine Kraftstoff etc.), sodass eine vollständige Versorgung aus der Pufferbatterie erfolgen muss. Insbesondere in derartigen Fällen ist das Vorsehen eines zusätzlichen externen Generators von Vorteil, um eine zu schnelle Entladung der Pufferbatterie, die aufgrund der schlechten Betriebsbedingungen auch nicht sofort kompensiert werden kann, zu vermeiden. Sowohl der Verbraucher als auch die Pufferbatterie können dann über den externen Generator, bei dem es sich beispielsweise um ein von den für den integrierten Generator ungünstigen Betriebsbedingungen unabhängiges Netzgerät handeln kann, versorgt werden.

Weitere Betriebszustände sind ein ausschließliches Laden der Pufferbatterie, wenn der Verbraucher keine Leistung abfordert. Dies kann der Fall sein, wenn beispielsweise sein Akkumulator vollgeladen ist oder wenn der Verbraucher nicht an die Stromversorgungseinrichtung angeschlossen ist. Im umgekehrten Fall kann aber auch ausschließlich der Verbraucher versorgt werden. Das ist dann der Fall, wenn die Pufferbatterie vollgeladen ist oder die Stromversorgungseinrichtung vorübergehend oder dauerhaft keine Pufferbatterie aufweist. Durch die Begrenzung und Konstanthaltung der Ausgangsleistung durch die Regelelektronik bei der Stromversorgungseinrichtung nach der Erfindung wird aber immer besonders vorteilhaft ein für die gegebenen momentanen Betriebsbedingungen optimaler Leistungswirkungsgrad zwischen Generator, Pufferbatterie und Verbraucher erzielt und die aktuell zur Verfügung stehende Leistung optimal geregelt und verteilt.

Die spannungsmäßige Anpassung des Solargenerators an die Pufferbatterie zum Abführen von Überschussleistung kann dabei mittels eines in einem Leistungssteller enthaltenen Gleichspannungswandlers erfolgen, der an den integrierten Generator in dessen MPP angekoppelt ist. Ebenso kann die Anpassung der Pufferbatterie an den Gleichspannungswandler zum Zuführen von Unterschussleistung im Pufferbetrieb mittels eines im Leistungssteller enthaltenen weiteren Gleichspannungswandlers erfolgen. Hiermit wird in allen Betriebszuständen ein maximaler Wirkungsgrad erzielt, während beispielsweise bei einer einfachen Ankopplung durch einen pulsweitenmodulierten Schalter Leistungsverluste entstehen können.

Die autarke Stromversorgungseinrichtung nach der Erfindung kann eine einzige konstante Ausgangsleistung zur Verfügung stellen und dementsprechend für eine vorbestimmte Gruppe von anschließbaren Verbrauchern, beispielsweise Handies, geeignet sein. Weiterhin kann aber auch eine Programmierfunktion in der Regelelektronik vorgesehen sein, die eine an den jeweils angeschlossenen Verbraucher individuell angepasste Ausgangsleistung P_A generiert. Bei einer Ausführung mittleren Bedienungskomforts kann daneben aber auch vorgesehen sein, dass die Regelelektronik auf verschiedene Werte der konstanten Ausgangsleistung P_A einstellbar ist, wodurch eine größere Einsatzflexibilität der Stromversorgungseinrichtung nach der Erfindung erreicht wird. Die vorteilhafte Ausbildung des Generators als Solargenerator wurde bereits weiter oben erwähnt. Zur individuellen Leistungsanpassung des Solargenerators an die eingestellte Ausgangsleistung P_A bzw. an spezielle Einstrahlungsbedingungen ist es weiterhin besonders vorteilhaft und einfach, wenn diese durch eine veränderbare Anzahl von aktiven Solarmodulen erfolgt. Insbesondere bei Solargeneratoren ist die Möglichkeit der Verschaltung mehrerer Solarmodule zur Leistungsveränderung des Solargenerators allgemein bekannt. Weiterhin kann die Pufferbatterie als Akkumulator auf Lithium-Ionen, Nickel-Metallhydrid-, Nickel-Cadmium- oder Blei-Basis oder als primäre oder aufladbare Alkali-Mangan-Batterie ausgebildet sein. Die genannten Akku-Systeme verfügen über einen guten Lade/Entlade-Wirkungsgrad, eine hohe Energiedichte und sind gut am Markt verfügbar. Primäre oder aufladbare Alkali-Mangan-Batterien sind ebenfalls gut verfügbar, ermöglichen einen Notstrombetrieb, zeigen eine niedrige Selbstentladung, haben allerdings einen sehr geringen Entladewirkungsgrad bei hohen Strömen und erlauben geringere Ladezyklenzahlen. Daneben können auch hochkapazitive Speicherkondensatoren, z.B. Doppelschichtkondensatoren, zur Pufferung eingesetzt werden. Der Vorteil liegt hier in der hohen Robustheit und Ladezyklenzahl.

Weiterhin können in der Stromversorgungseinrichtung nach der Erfindung mehrere Aufnahmefächer für den Betrieb mit alternativen Pufferbatterien vorgesehen sein, wobei durch die Konstruktion der Aufnahmefächer oder durch eine elektrische oder elektronische Identifikation der Pufferbatterien in der Regelelektronik nur gleiche Pufferbatterien gleichzeitig aufgenommen werden können. Somit kann die Stromversorgungseinrichtung auch als autarkes Ladegerät für beliebige mobile Akkumulatoren vorgesehen sein, das außerdem eine zuverlässige Versorgung angeschlossener externer Verbraucher im Pufferbetrieb gewährleistet. Der Ladezustand der Pufferbatterien, der externen Batterien oder auch der aktuelle Betriebszustand (Direkt- oder Pufferbetrieb) der Stromversorgungseinrichtung kann durch eine LED-Kette oder ein LCD-Display angezeigt werden. Mit beiden Anzeigen kann beispielsweise eine prozentuale Anzeige für den aktuellen Leistungs- und Ladezustand realisiert werden. Weiterhin kann die Regelelektronik einen frei programmierbaren Mikroprozessor zur Anpassung an beliebige Ladealgorithmen und Pufferbatterien und/oder einem Tiefentladeschutz für die Pufferbatterie und/oder einen Überladeschutz. enthalten. Beispielsweise kann ein -ΔU-Ladeverfahren zur exakten Volladung von NiCd/NiMH-Akkus eingesetzt werden. Es kann sich aber auch um eine einfache zeitgesteuerte Ladung oder um ein bilanzierendes Ladeverfahren zur exakten Ladezustandsbestimmung von NiCd/NiMH Akkus handeln. Weiterhin können die Regelelektronik und der Gleichspannungswandler extern programmierbare Bausteine zur Verwendung von Adapterkabeln mit Programmierfunktion sein (vgl. beispielweise DE 199 28 809 A1 ). Schließlich kann die Regelelektronik so ausgeführt sein, dass die externe Eingangsleistung auf einen maximalen Wert begrenzt wird, um eine Überlastung des Gerätes bzw. die zulässigen Ladeströme nicht zu überschreiten und/oder einen Tiefentladeschutz aufweisen, so dass bei Unterschreiten der Batteriespannung einer definierten unteren Schwelle der Gleichspannungswandler und der externe Verbraucher abgeschaltet werden.

Beispielhafte Ausbildungsformen der autarken Stromversorgungseinrichtung nach der Erfindung werden zu deren weiterem Verständnis nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine perspektivische Gehäusedarstellung,
2 ein Blockschaltbild der autarken Stromversorgungseinrichtung
3 ein Leistungs-Zeit-Diagramm verschiedener Betriebszustände und
4 ein Strom-Spannungs-Diagramm verschiedener Betriebszustände.
Die 1 zeigt eine perspektivische Außenansicht des prinzipiellen Aufbaus einer autarken Stromversorgungseinrichtung 1 nach der Erfindung und 2 ein Blockschaltbild mit deren wesentlichen inhaltlichen Elementen. An einem Gehäuse G ist ein integrierter Generator 2 (im Ausführungsbeispiel Solargenerator) als interne primäre Energiequelle mit einer zur Verfügung stellbaren Generatorleistung P_G, die unter normalen Betriebsbedingungen zwischen einer maximalen Generatorleistung P_Gmax und einer minimalen Generatorleistung P_Gmin schwanken kann, aufklappbar angeordnet. Die Stromversorgungseinrichtung 1 stellt eine begrenzte Ausgangsleistung P_A an ihrem Ausgang bereit, mit der zumindest ein Verbraucher V, der über einen Anschluss 6 angeschlossen werden kann, kontinuierlich versorgt werden kann. Das wird dadurch sichergestellt, dass dessen minimal erforderliche Verbraucherbetriebsleistung P_Vmin unterhalb der Ausgangsleistung P_A liegt.
Weiterhin ist an der autarken Stromversorgungseinrichtung 1 ein Anschluss 3 für eine sekundäre externe Energiequelle mit einer zusätzlich zur Verfügung stellbaren Generatorleistung P_Gex vorgesehen. Die dargestellte Stromversorgungseinrichtung 1 umfasst noch eine Pufferbatterie 4 (in der 1 nicht dargestellt), die in einem Batteriefach 7 gehaltert ist, und eine Regelelektronik 5, die ihrerseits einen Gleichspannungswandler 9, einen Mikroprozessor 10 mit einer Analog-Digitalwandlung und einen Leistungssteller 11 umfasst und die Ausgangsspannung P_A begrenzt. Mittels einer Temperaturmessung, deren Ergebnisse dem Mikroprozessor 10 zugeführt werden, kann eine Überhitzung der Stromversorgungseinrichtung 1 bei einer zu hohen Sonneneinstrahlung verhindert werden. Das Gehäuse G weist ferner eine LED-Kette 8 zur Anzeige des aktuellen Betriebszustandes und des Ladezustandes der Pufferbatterie 4 auf.
In 3 sind die verschiedene Betriebszustände der erfindungsgemäßen autarken Stromversorgungseinheit als beispielhaftes Profil der Leistung P über der Zeit t dargestellt. Die Generatorleistung steigt dabei konstant von null zum Zeitpunkt t₀ über P_Gmin bei t₂ bis zu seiner Leistungsgrenze P_Gmax bei t₄ an und fällt dann auf null ab, wobei bei t₃ der Verbraucher beispielhaft abgeschaltet wird.
Zwischen den Zeitpunkten t₀ und t₁ reicht die aktuell bereitgestellte Generatorleistung P_G, d.h. die Leistungssumme der internen und ggfs. vorhandenen externen Energiequellen P_Gext, zum Erreichen der eingestellten konstanten Ausgangsleistung P_A nicht aus, die Pufferbatterie wird zur Lieferung der notwendigen Unterschussleistung P_U = P_A – P_G herangezogen (Pufferbetrieb III).
Zum Zeitpunkt t₁, wenn die aktuell erzeugte Generatorleistung P_G die Höhe der eingestellten konstanten Ausgangsleistung P_A erreicht (P_A = P_G), erfolgt eine ausschließliche Direktversorgung des Verbrauchers durch den Generator ohne Inanspruchnahme der Pufferbatterie (Direktbetrieb I). Bis zu diesem Zeitpunkt wird die Pufferbatterie entladen (–), die Entladeleistung P_P– der Pufferbatterie nimmt aufgrund der Zunahme der Generatorleistung P_G ständig ab.
Zwischen t₁ und t₄ überschreitet die aktuell bereitgestellte Generatorleistung P_G die eingestellte konstanten Ausgangsleistung P_A, der Verbraucher wird direkt vom Generator versorgt, und darüber hinaus wird die aktuell zur Verfügung gestellte Überschussleistung P_Ü = P_G – P_A bis zur Leistungsgrenze P_Gmax des Generators unter normalen Betriebsbedingungen als Ladeleistung P_P+ in die Pufferbatterie geladen (Überschussbetrieb II). Zur Verdeutlichung des angestrebten Generator-Arbeitsbereiches P_Gmin – P_Gmax unter normalen Betriebsbedingungen ist die minimale Generatorleistung P_Gmin bei t₂ mit dargestellt.
Zwischen t₃ und t₄ wird der externe Verbraucher abgeschaltet und nun die Pufferbatterie mit höchstens der aktuell bereitgestellten Generatorleistung P_G bis zur Volladung geladen. Ab t₄ bis t₅ ruht die Stromversorgungseinrichtung, da die Pufferbatterie voll geladen ist und keine Ausgangsleistung abgefordert wird bzw. da kein Generatorstrom zur Verfügung steht.
In 4 ist der Zusammenhang zwischen der Generatorleistung P_G, der eingestellten konstanten Ausgangsleistung P_A und der Überschussleistung P_Ü bzw. Unterschussleistung P_U in einem typischen Strom-Spannungsdiagramm eines beispielhaften Solargenerators dargestellt. P_Gmax, P_Gmin und P_A sind dabei gestrichelt als Hyperbelfunktionen mit I = P/U (P=const.) eingezeichnet. Innerhalb des Stromverlaufs (I/U-Kurve) des Solargenerators mit P_Gmax ist an dessen MPP (Punkt maximaler Leistung) die entsprechende Hyperbelfunktion I = P_Gmax/U angekoppelt. Der MPP wird dabei von der Regelelektronik ermittelt. Der Pfeil zwischen P_A und der Hyperbel mit P_Gmax entspricht der Überschussleistung P_Ü, die in dieser Situation zum Laden der Pufferbatterie zur Verfügung steht. Das Gleiche gilt für die I/U-Kurve des Solargenerators mit P_Gmin, wobei hier nur noch ein geringer Differenzbetrag P_Ü zum Laden übrig bleibt. Die unterste I/U-Kurve verdeutlicht die Situation einer nicht ausreichenden Generatorleistung (P_G < P_Gmin) mit entsprechendem Bedarf an Unterschussleistung P_U aus der Pufferbatterie.
Die Pufferbatterie kann im einfachsten Falle spannungsmäßig direkt über ein Stellglied oder über einen weiteren DC/DC-Wandler an den Solargenerator angekoppelt sein. Im Fall des DC/DC-Wandlers kann dabei durch die beliebige Spannungsanpassung der maximale Wirkungsgrad erzielt werden. Eine direkte Ankopplung würde eine Verschiebung des Schnittpunktes zwischen Hyperbel und I/U-Kurve auf den Punkt der aktuellen Batteriespannung U_P bewirken, der normalerweise nicht mit dem jeweiligen MPP zusammenfällt. Zur Verdeutlichung ist ein typischer Bereich von U_P (in unterschiedlichen Ladungszuständen) mit dargestellt.

1: autarke Stromversorgungseinrichtung
2: Solargenerator
3: Anschluss für eine externe Energiequelle
4: Pufferbatterie
5: Regelelektronik
6: Anschluss für einen externen Verbraucher
7: Batteriefach
8: LED-Kette
9: Gleichspannungswandler
10: Mikrocontroller
11: Leistungssteller
11a: Gleichspannungswandler für Überschussleistung P_Ü
11b: Gleichspannungswandler für Unterschussleistung P_U
G: Gehäuse
MPP: Optimaler Generator-Arbeitspunkt
P: Leistung
P_A: begrenzte, konstante Ausgangsleistung
P_G: gesamte aktuelle Generatorleistung
P_Gext: externe Generatorleistung
P_Gmax: maximale Generatorleistung
P_Gmin: minimale Generatorleistung
P_P+: Ladeleistung Pufferbatterie
P_P–: Entladeleistung Pufferbatterie
P_Vmin: minimal erforderliche Verbraucherbetriebsleistung
P_U: Unterschussleistung
P_Ü: Überschussleistung
t, t₀: Zeit, Zeitpunkt
U_P: Spannung Pufferbatterie
V: Verbraucher

Claims

Autarke Stromversorgungseinrichtung zur netzunabhängigen kontinuierlichen Energieversorgung von zumindest einem angeschlossenen elektrischen Verbraucher mit zumindest einem integrierten Generator, einer Pufferbatterie, einer Regelelektronik mit Gleichspannungswandler zur verbraucherangepassten Einstellung von Ausgangsleistung und Ausgangsspannung, gekennzeichnet durch eine Auslegung der Regelelektronik (5) auf einen Arbeitsbereich des Generators (2) unter normalen Betriebsbedingungen und einer Leistungsanpassung an den zumindest einen Verbraucher (V) zwischen einer maximalen Generatorleistung P_Gmax und einer minimalen Generatorleistung P_Gmin und durch eine Einstellung einer unterhalb der minimalen Generatorleistung P_Gmin liegenden konstanten Ausgangsleistung P_A, mit der der Verbraucher (V) zumindest an einer durch seine elektrischen Eigenschaften festgelegten unteren minimal erforderlichen Verbraucherbetriebsleistung P_Vmin dauerhaft versorgt wird, wobei • im Direktbetrieb (I) die konstante Ausgangsleistung P_A der aktuell erzeugten Generatorleistung P_G in dessen optimalem Arbeitspunkt (MPP) entspricht, • im Überschussbetrieb (II) die aktuell erzeugte Generatorleistung P_G die konstante Ausgangsleistung P_A überschreitet und die auftretende Überschussleistung P_Ü = P_G – P_A geregelt mit maximalem Wirkungsgrad der Pufferbatterie bis zu deren Vollladung zugeführt wird und • im Pufferbetrieb (III) die aktuell erzeugte Generatorleistung P_G die konstante Ausgangsleistung P_A nicht erreicht und die auftretende Unterschussleistung P_U = P_A – P_G geregelt mit maximalem Wirkungsgrad aus der Pufferbatterie zugeführt wird.
Autarke Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Zuführung der Überschussleistung P_Ü an die Pufferbatterie (4) mittels eines im Leistungssteller (11) enthaltenen weiteren Gleichspannungswandlers (11a), der an den integrierten Generator (2) in dessen optimalem Arbeitspunkt (MPP) angekoppelt ist.
Autarke Stromversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Zuführung der Unterschussleistung P_U aus der Pufferbatterie (4) mittels eines im Leistungssteller (11) enthaltenen weiteren Gleichspannungswandlers (11b).
Autarke Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Einstellbarkeit der Regelelektronik (5) auf verschiedene Werte der konstanten Ausgangsleistung P_A.
Autarke Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Ausbildung des Generators (2) als Solargenerator, bei dem die Leistungsanpassung an die eingestellte Ausgangsleistung P_A durch eine veränderbare Anzahl von aktiven Solarmodulen erfolgt.
Autarke Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen externen Generator zur Erhöhung der aktuell erzeugten Generatorleistung P_G.
Autarke Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Zuführung der aktuell erzeugten Generatorleistung P_G mit maximalem Wirkungsgrad an die Pufferbatterie (4), wenn kein Verbraucher (V) angeschlossen ist.
Autarke Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Zuführung der aktuell erzeugten Generatorleistung P_G mit maximalem Wirkungsgrad an den Verbraucher (V), wenn keine Pufferbatterie (4) angeschlossen oder diese vollgeladen ist.
Autarke Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der Pufferbatterie (4) als Akkumulator auf Lithium-Ionen-, Nickel-Metallhydrid-, Nickel-Cadmium- oder Blei-Basis oder als primäre oder aufladbare Alkali-Mangan-Batterie oder als Speicherkondensator.
Autarke Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch mehrere Aufnahmefächer (7) für den Betrieb mit alternativen Pufferbatterien (4), wobei durch die Konstruktion der Aufnahmefächer (7) oder durch eine elektrische oder elektronische Identifikation der Pufferbatterien (4) in der Regelelektronik (5) nur gleiche Pufferbatterien (4) gleichzeitig aufgenommen werden können.
Autarke Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine LED-Kette (8) oder ein LCD-Display zur Anzeige des Ladungszustands der Pufferbatterie (4) und/oder der unterschiedlichen Betriebszustände (I, II, III).
Autarke Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der Regelelektronik (5) mit einem frei programmierbaren Mikroprozessor (10) zur Anpassung an beliebige Ladealgorithmen und Pufferbatterien (4) und/oder einem Tiefentladeschutz für die Pufferbatterie (4) und/oder einem Überladeschutz.
Autarke Stromversorgungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der Regelelektronik (5) mit Gleichspannungswandler (9) und einem externen Adapterkabel mit Programmierfunktion.