DE102018108104A1 - Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung, insbesondere vom öffentlichen Stromnetz unabhängige Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung, und hierfür geeignete Ladeschaltungsanordnung - Google Patents

Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung, insbesondere vom öffentlichen Stromnetz unabhängige Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung, und hierfür geeignete Ladeschaltungsanordnung Download PDF

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    • H02J7/34Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/35Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung, insbesondere vom öffentlichen Stromnetz unabhängige Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung, mit einem positiven (204) und einem negativen (206) Lastanschluss für den Anschluss einer elektrischen Last, mit einer Mehrzahl von photovoltaischen Zellen (104) und einer wiederaufladbaren Batterie (5), welche wenigstens zwei in Serie geschaltete Batteriezellen (112i) umfasst. Nach der Erfindung sind die photovoltaischen Zellen (104) zu einer der Anzahl der Batteriezellen (112i) entsprechenden Anzahl von seriell verbundenen Teilstrings (108i) verschaltet und jeder Teilstring (108i) ist mit einem positiven Teilstringanschluss mit einem Pluspol und mit einem negativen Teilstringanschluss mit einem Minuspol einer zugeordneten Batteriezelle (112i) oder mehreren zugeordneten parallel geschalteten Batteriezellen (112i) verbunden. Dabei kann jeder Teilstring (108i) zwischen dem positiven und negativen Teilstringanschluss eine maximale Leerlaufspannung erzeugen, die kleiner oder gleich einer vorgegebenen Ladeschlussspannung der zugeordneten Batteriezelle (112i) oder der zugeordneten parallel geschalteten Batteriezellen (112i) ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie, die zur Realisierung einer derartigen Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung geeignet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung, insbesondere vom öffentlichen Stromnetz unabhängige Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Schaltungsanordnung zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 10.
  • Wiederaufladbare Batterien bestehen in der Regel aus mehreren seriell verschalteten Einzelzellen - im Folgenden als Batteriezelle bezeichnet -, wobei jede der Batteriezellen eine durch ihre Konstruktion vorgegebene Leerlaufspannung aufweist. Durch die serielle Verschaltung einer bestimmten Anzahl von Batteriezellen wird erreicht, dass die Batterie eine dementsprechend höhere Leerlaufspannung und auch eine dementsprechend höhere Spannung unter Last besitzt. Zum Aufladen derartiger, aus mehreren Batteriezellen bestehender wiederaufladbarer Batterien ist es bekannt, die jeweilige Spannung der einzelnen Batteriezellen zu überwachen und den Ladezustand der seriell verschalteten Batteriezellen über ein Ladungsausgleichssystem (Cell Balancing) anzugleichen. Das Ladungsausgleichssystem ist dabei üblicherweise Teil des Batteriemanagementsystems. Das Vorsehen eines Ladungsausgleichssystems bedingt jedoch zusätzliche elektronische Komponenten und Regelungsalgorithmen, führt also zu einem zusätzlichen schaltungstechnischen und einem damit verbundenen finanziellen Aufwand.
  • Es auch bekannt, auf ein Batteriemanagementsystem bzw. ein Ladungsausgleichssystem zu verzichten und die Leerlaufspannung einer Serienschaltung von photovoltaischen Zellen (im Folgenden als String bezeichnet) so zu wählen, dass diese kleiner oder gleich der Ladeschlussspannung einer wiederaufladbaren Batterie mit mehreren in Serie geschalteten Batteriezellen ist (z.B. EP 1 768 224 A1 , DE 28 11 285 A1 , DE 16 14 923 ). Eine Stromversorgungsvorrichtung 1 mit einer derartigen Ladeschaltung ist in 1 schematisch dargestellt. An die Stromversorgungsvorrichtung 1 kann eine beliebige elektrische Last 9 angeschlossen werden. Die Stromversorgungsvorrichtung 1 umfasst eine Parallelschaltung einer Solarzelleneinheit 3, die mehrere in Serie geschaltete photovoltaische Zellen (im Folgenden auch als „Solarzellen“ bezeichnet) umfasst, und einer aus mehreren seriell verschalteten Batteriezellen bestehenden wiederaufladbaren Batterie 5. Eine Diode 7 stellt sicher, dass nur ein Ladestrom fließen kann und sich die Batterie 5 nicht über die Solarzelleneinheit 3 entladen kann, wenn diese keine Spannung liefert oder eine Spannung, die kleiner ist als die Batteriespannung. Auf diese Art und Weise wird eine Selbstregelung geschaffen. Allerdings können in diesem Fall die Ladespannungen der einzelnen Batteriezellen über mehrere Ladezyklen auseinanderdriften. Ohne Ladungsausgleichssystem führt dies dazu, dass zwar der Ladevorgang beendet wird, wenn die Ladeschlussspannung der gesamten wiederaufladbaren Batterie erreicht ist. Allerdings kann in diesem Zustand die Spannung einer oder mehrerer Batteriezellen noch unter der Ladeschlussspannung der einzelnen Batteriezellen liegen, während eine oder mehrere andere Batteriezellen ihre Ladeschlussspannung bereits überschritten haben. Dies kann zu einem Kapazitätsverlust oder einer Schädigung bzw. Zerstörung der Batteriezellen führen.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung, insbesondere vom öffentlichen Stromnetz unabhängige Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung, zu schaffen, bei der trotz eines Verzichts auf ein komplexes Batteriemanagementsystem bzw. ein Ladungsausgleichssystem die einzelne Batteriezelle vollständig geladen wird und dennoch sicher vermieden wird, dass die Ladeschlussspannung einer einzelnen Batteriezelle überschritten wird. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie zu schaffen, welche zur Realisierung einer derartigen Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung geeignet ist.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 bzw. 10. Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
  • Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass zur Realisierung einer Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung eine Mehrzahl von in Serie geschalteten photovoltaischen Zellen in mehrere Teilstrings aufgeteilt werden kann, wobei jeder Teilstring mit einem positiven Teilstringanschluss mit einem Pluspol und mit einem negativen Teilstringanschluss mit einem Minuspol einer zugeordneten Batteriezelle oder mehreren zugeordneten parallel geschalteten Batteriezellen verbunden ist. Dabei ist jeder Teilstring so ausgebildet, dass zwischen dem positiven und negativen Teilstringanschluss eine maximale Leerlaufspannung erzeugt wird, die kleiner oder gleich einer vorgegebenen Ladeschlussspannung der zugeordneten Batteriezelle oder der zugeordneten parallel geschalteten Batteriezellen ist. Auf diese Weise wird jede Batteriezelle von einem separaten Teilstring aus einem oder mehreren in Serie geschalteten photovoltaischen Zellen geladen. Da die maximale von dem betreffenden Teilstring erzeugbare Spannung kleiner oder im Wesentlichen gleich der gewünschten Ladeschussspannung der dem Teilstring zugeordneten Batteriezelle ist, erübrigt sich ein Ladungsausgleichssystem. Erfindungsgemäß ist also keinerlei Steuereinrichtung für das Steuern oder Regeln des Ladezustandes der wiederaufladbaren Batterie vorgesehen.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist in Serie zu den photovoltaischen Zellen jedes Teilstrings eine Schaltungsanordnung vorgesehen, welche einen von den photovoltaischen Zellen erzeugten Strom nur vom betreffenden positiven zum betreffenden negativen Teilstringanschluss fließen lässt und einen Stromfluss in der Gegenrichtung blockiert. Dadurch ist sichergestellt, dass sich die Batteriezellen nicht über den jeweils zugeordneten Teilstring entladen können, wenn die Batteriespannung kleiner ist als die von dem Teilstring erzeugte Spannung, was insbesondere bei Dunkelheit der Fall ist.
  • In einer besonders einfachen Ausführungsform kann eine solche Schaltungsanordnung aus einer einzigen Diode oder einer Parallelschaltung von mehreren Dioden bestehen. Eine Parallelschaltung von Dioden weist dabei den Vorteil auf, dass sich der Ladestrom auf mehrere Dioden verteilt und demzufolge die Dioden geringer dimensioniert werden können. Allerdings ist eine direkte Parallelschaltung der Dioden aufgrund der Bauteiltoleranzen in der Regel nicht möglich. Da an allen Dioden die gleiche Spannung anliegt, würde zu Beginn jene Diode mit der geringsten Schwellspannung den größten Teil des Gesamtstromes leiten und sich am stärksten erwärmen. Dadurch würde ihre Schwellspannung stärker sinken und der Stromanteil weiter steigen. Das Resultat wäre die thermische Zerstörung dieser Diode. Da nun die restlichen Dioden den gesamten Strom übernehmen müssen, würde in der Folge jene Diode mit der nächsthöheren Schwellspannung wieder den größten Teil des Stromes übernehmen und zerstört werden, bis am Ende alle Dioden zerstört sind. Abhilfe schaffen hier Widerstände, die zu den einzelnen Dioden in Serie geschaltet werden. Diese können beispielsweise so bemessen sein, dass an ihnen beim maximalen Durchlassstrom in etwa 0,5V abfallen.
  • Nach einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst jeder Teilstring einer Anzahl von in Serie geschalteten photovoltaischen Zellen. Es ist jedoch auch möglich, mehrere solcher Teilstrings parallel zu schalten, um den Ladestrom bei gleich bleibender Ladespannung zu erhöhen.
  • Die Anzahl der in Serie geschalteten photovoltaischen Zellen jedes Teilstrings ist so gewählt, dass die maximale Leerlaufspannung des Teilstrings kleiner oder gleich der vorgegebenen Ladeschlussspannung der zugeordneten Batteriezelle oder der zugeordneten parallel geschalteten Batteriezellen ist. Ein Überladen und damit ein Beschädigen der Batteriezelle wird so sicher vermieden. Andererseits wird die Anzahl der in Serie geschalteten photovoltaischen Zellen vorzugsweise so gewählt, dass die von dem Teilstring erzeugbare Leerlaufspannung ausreichend nahe an der (zulässigen) Ladeschlussspannung der Batteriezelle liegt, um die Kapazität der Batteriezelle möglichst gut zu nutzen.
  • Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung wenigstens ein Solarmodul, in welchem die photovoltaischen Zellen matrixartig angeordnet sind, wobei die Batteriezellen in einem das wenigstens eine Solarmodul umgebenden Rahmen vorgesehen oder an diesem befestigt sind. Hierdurch ergibt sich eine einfache und kompakte Bauweise.
  • Dabei kann jede Reihe oder jede Spalte der Matrix von photovoltaischen Zellen einen oder mehrere Teilstrings bilden, wobei alle diesen Teilstrings zugeordneten Batteriezellen in einem Bereich seitlich der betreffenden Reihe oder Spalte von photovoltaischen Zellen angeordnet sein können. Hierdurch ergeben sich kurze Verbindungswege zwischen den photovoltaischen Zellen des Teilstrings und der zugeordneten Batteriezelle.
  • Bei solchen Ausführungsformen kann jede Reihe oder jede Spalte der Matrix von photovoltaischen Zellen genau einen Teilstring bilden, und alle diesen Teilstrings zugeordneten Batteriezellen können auf derselben Seite oder alternierend auf beiden Seiten angeordnet sein.
  • In einer anderen Ausführungsform kann jede Reihe oder jede Spalte der Matrix von photovoltaischen Zellen genau zwei nebeneinander bzw. untereinander angeordnete Teilstrings bilden, und jede einem dieser Teilstrings zugeordnete Batteriezelle kann auf der Seite des betreffenden Teilstrings angeordnet sein, d. h. auf der Seite des Rahmens, an welcher eine photovoltaische Zelle des Teilstrings angrenzt.
  • Eine Schaltungsanordnung zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie nach der Erfindung weist bis auf die wiederaufladbare Batterie selbst alle Merkmale der erfindungsgemäßen Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung auf. Die positiven und negativen Teilstringanschlüsse können mit Kontaktanschlüssen verbunden sein, die zur elektrischen Verbindung mit den Plus- und Minuspolen der Batteriezellen der zu ladenden Batterie ausgebildet sind.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung einer bekannten Stromversorgungsvorrichtung mit einer selbstregelnden Ladeschaltung, bestehend aus einer Parallelschaltung von mehreren seriell verschalteten Solarzellen und einer Diode mit einer aus mehreren Batteriezellen bestehenden wiederaufladbaren Batterie;
    • 2 einen schematischen Stromlauf einer Ausführungsform einer Stromversorgungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung mit einer daran angeschlossenen Last;
    • 3 eine schematische Darstellung einer konstruktiven Ausführungsform einer Stromversorgungsvorrichtung nach der Erfindung mit einem Solarmodul und mehreren Batteriezellen, die auf einer Seite im oder am Rahmen des Solarmoduls vorgesehen sind, wobei sämtliche Solarzellen einer Reihe in Serie geschaltet und mit der zugeordneten Batteriezelle verbunden sind; und
    • 4 eine schematische Darstellung einer weiteren konstruktiven Ausführungsform einer Stromversorgungsvorrichtung nach der Erfindung mit einem Solarmodul und mehreren Batteriezellen, die auf beiden Seiten im oder am Rahmen des Solarmoduls vorgesehen sind, wobei die Solarzellen einer Reihe jeweils zwei Teilstrings bilden und jeder der Teilstrings mit der zugeordneten Batteriezelle auf der betreffenden Seite verbunden ist.
  • 2 zeigt einen schematischen Stromlauf einer Ausführungsform einer Stromversorgungsvorrichtung 100 nach der vorliegenden Erfindung mit einer daran angeschlossenen Last 102. Die Stromversorgungsvorrichtung 100 umfasst eine Mehrzahl von Solarzellen 104, die seriell verschaltet sind, wie dies bei einem handelsüblichen Solarmodul regelmäßig der Fall ist, und eine wiederaufladbare Batterie 106. Die Mehrzahl von Solarzellen 104 ist in mehrere Teilstrings 108i (1≤i≤N; wobei N die Anzahl der Teilstrings bezeichnet) aufgeteilt, wobei die Solarzellen 104 innerhalb jedes Teilstrings 108i seriell verschaltet sind. Zusätzlich ist in jedem Teilstring 108i eine Diode 110 seriell zu den Solarzellen 104 angeordnet. Die Diode 110 kann durch jedes andere schaltungstechnische Mittel ersetzt werden, welches einen durch den jeweiligen Teilstsring 108i erzeugten Ladestrom IIi in einer Durchlassrichtung, vorzugsweise ohne wesentlichen Spannungsabfall, passieren lässt und in der entgegengesetzten Richtung sperrt. Wie bereits vorstehend erwähnt, kann anstelle einer einzigen Diode auch jeweils eine Parallelschaltung von Dioden, ggf. eine Parallelschaltung von in Serie mit einem Widerstand geschalteten Dioden, verwendet werden.
  • Wie aus 2 ersichtlich, wird die wiederaufladbare Batterie 106 durch mehrere in Serie verschaltete Batteriezellen 112i gebildet, wobei die Anzahl N von Batteriezellen der Anzahl N der Teilstrings 108i entspricht. Zu jeder Serienschaltung eines Teilstrings 108i , welcher auch die betreffende Diode 110 mit umfasst, ist eine Batteriezelle 112i parallel geschaltet, wobei selbstverständlich jeweils der Pluspol der betreffenden Batteriezelle 112i mit einem positiven Teilstringanschluss und der Minuspol der betreffenden Batteriezelle mit einem negativen Teilstringanschluss verbunden ist.
  • Durch die Parallelschaltung der Teilstrings 108i mit den Batteriezellen 112i ergeben sich somit jeweils selbstregelnde Teilschaltungen. Die Gefahr einer Überladung bzw. Beschädigung oder der Mangel einer nur teilweisen Nutzung der Kapazität einer Batteriezelle 112i , wie dies bei Nutzung des Prinzips der Selbstregelung für die gesamte Batterie (d. h. Parallelschaltung eines Strings aus Solarzellen mit einer Diode und einer aus mehreren Batteriezellen bestehenden Batterie) der Fall ist, werden vermieden.
  • Um die Gefahr einer Überladung der Batteriezellen 112i zu vermeiden, ist es selbstverständlich erforderlich, dass die maximale Leerlaufspannung jedes Teilstrings 108i kleiner ist als die zulässige Ladeschlussspannung der jeweils zugeordneten Batteriezelle 112i . Somit muss im Wesentlichen die Summe der Leerlauf-Teilspannungen der Solarzellen kleiner sein als die Ladeschlussspannung der Diode 110, da der Spannungsabfall an der Diode für einen gegen Null gehenden Ladestrom ILi vernachlässigbar klein wird. Andererseits wird die betreffende Batteriezelle 112i so lange geladen, bis die Ladeschlussspannung erreicht ist. Es wird daher immer die volle Kapazität der Batteriezelle 112i genutzt.
  • Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die maximale Leerlaufspannung der Teilstrings 108i diejenige Leerlaufspannung ist, die sich bei einer ausreichend hohen Lichtleistung einstellt, die auf die Solarzellen trifft. Die maximale Leerlaufspannung eines Teilstrings hängt dabei ab dieser ausreichend hohen Lichtleistung im Wesentlichen nur noch von dem Design, einschließlich der Materialeigenschaften, der Solarzelle ab. Beispielsweise liefern aus Silizium bestehende Solarzellen eine Gleichspannung von ca. 0,5 V.
  • Um eine maximale Ausnutzung der Kapazität der Batteriezellen 112i zu gewährleisten und gleichzeitig die Gefahr einer Überladung zu vermeiden, muss also die Anzahl der in Serie geschalteten Solarzellen 104 so gewählt werden, dass die maximale Leerlaufspannung möglichst in der Nähe der zulässigen Ladeschlussspannung liegt, diese jedoch nicht wesentlich unterschreitet.
  • Es ist ebenfalls möglich, anstelle eines Teilstrings 108i der vorbeschriebenen und in 2 dargestellten Art, einen Teilstring zu verwenden, der aus einer Parallelschaltung mehrerer derart beschaffener Sub-Teilstrings besteht, um auf diese Weise den maximalen Ladestrom bei gleichbleibender Ladespannung zu erhöhen. Selbstverständlich können die jeweils parallel geschalteten Sub-Teilstrings jeweils identisch ausgebildet sein oder zumindest dieselbe Anzahl von gleichartigen, in Serie geschalteten photovoltaischen Zellen 104 aufweisen.
  • 3 zeigt in schematischer Darstellung eine Draufsicht auf eine konstruktive Ausführungsform einer Stromversorgungsvorrichtung 100 nach der Erfindung. Diese umfasst ein im Wesentlichen herkömmliches Solarmodul 200, das matrixartig vorgesehene Solarzellen 104 aufweist. Die Verschaltung der elektrischen Komponenten entspricht dem in 2 dargestellten Stromlaufschema. Im dargestellten Ausführungsbeispiel, das jedoch in keiner Weise als limitierend anzusehen ist, weist die Matrix vier Reihen mit je vier Solarzellen 104 auf. Das Solarmodul 200 weist einen Rahmen 202 auf, der zum einen zur Halterung der Solarzellen 104 und zum anderen zur Montage des gesamten Moduls, beispielsweise auf einem Hausdach, ausgebildet ist. Nach der Erfindung kann der Rahmen 202 auch so ausgestaltet sein, dass die Batteriezellen 112i in dem Rahmen 202 oder an diesem angeordnet sind. Ist der Rahmen 202 beispielsweise als Hohlprofil ausgebildet, so können die Batteriezellen in dem Hohlraum des Rahmens angeordnet sein.
  • Bei der in 3 dargestellten Ausführungsform sind sämtliche Solarzellen 104 einer Reihe der Matrixanordnung über eine Diode 110 mit der zugeordneten Batteriezelle 112 verbunden. Jede der Dioden 110, die jeweils von einem der durch die Solarzellen 104 einer Reihe gebildeten Teilstrings 108i umfasst ist, ist ebenfalls in dem Rahmen 202 angeordnet. Angesichts der geringen Baugröße einer Diode ist es jedoch selbstverständlich ebenfalls möglich, die Diode im Bereich der Solarzellen 104 des betreffenden Teilstrings vorzusehen.
  • Durch die Anordnung der Batteriezellen 112i in oder an dem Rahmen 202 in einem Bereich neben der Reihe von in Serie geschalteten Solarzellen 104 ergibt sich der Vorteil kurzer Leitungswege und damit insbesondere der Vorteil einer einfachen Verdrahtung bzw. elektrischen Verbindung der Solarzellen 104 sowie der zugeordneten Diode 110 und der zugeordneten Batteriezelle 112i .
  • Die Stromversorgungsvorrichtung 100 nach 3 weist darüber hinaus einen positiven Lastanschluss 204 und einen negativen Lastanschluss 206 zum Anschluss einer externen Last 102 (siehe 2) auf. Damit ergibt sich insgesamt eine sehr kompakte, vom öffentlichen Energieversorgungsnetz unabhängige Stromversorgungsvorrichtung 100, die insbesondere zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers verwendet werden kann, der einen verhältnismäßig geringen Energiebedarf aufweist. Es ist selbstverständlich möglich, mehrere Solarmodule zu einer einzigen Baueinheit zusammenzufassen, und die Batteriezellen jeweils in Rahmen anzuordnen, die dem einzelnen Solarmodul zugeordnet sind, oder in einem der gesamten Baueinheit zugeordneten Rahmen, in welchem die Solarmodule gehalten sind. Die Teilstrings 108i , die sich bei der in 3 dargestellten Ausführungsform über die gesamte Reihe eines Solarmoduls 200 erstrecken, können sich in derartigen Ausführungsformen auch über mehrere gesamte Reihen von Solarmodulen 200 erstrecken.
  • In 4 ist eine weitere Ausführungsform einer solaren Stromversorgungsvorrichtung 100 dargestellt, die der Ausführungsform nach 3 ähnelt. Im Folgenden werden daher lediglich die Unterschiede erläutert.
  • Wie aus 4 ersichtlich, sind jeweils zwei Solarzellen 104 einer Reihe der Matrix-anordnung von Solarzellen zu einem Teilstring 108i verschaltet. Bei dieser Ausführungsform genügt somit die Serienschaltung von zwei Solarzellen 104, um eine Leerlaufspannung eines Teilstrings 108i zu erzeugen, die kleiner oder gleich der Ladeschlussspannung der jeweils zugeordneten Batteriezelle 112i ist. Bei der dargestellten Ausführungsform sind sämtliche Fallschaltungen, die aus jeweils einem Teilstring 108i , einer Diode 110 und einer Batteriezelle 112i bestehen, in Serie geschaltet, so dass sich eine entsprechend hohe Ausgangsspannung zwischen dem positiven und negativen Lastanschluss 204, 206 ergibt. Es wäre selbstverständlich ebenfalls möglich, jeweils die Teilschaltungen auf der linken Hälfte und der rechten Hälfte der Draufsicht in 4 in Serie zu schalten und auf jeder Seite jeweils einen positiven und negativen Lastanschluss vorzusehen. Anstelle zweier derartiger elektrisch voneinander unabhängiger Teil-Stromversorgungsvorrichtungen können diese selbstverständlich durch eine elektrische Verbindung jeweils der positiven und negativen Lastanschlüsse parallel geschaltet werden.
  • Es sei abschließend darauf hingewiesen, dass die speziellen Ausführungsformen nach den 3 und 4 nur beispielhaft verdeutlichen sollen, wie ein möglichst geringer Verdrahtungsaufwand erreicht werden kann. Selbstverständlich kann das Grundprinzip, jeweils Teilstrings 108i durch eine geeignete Verdrahtung zu erzeugen, deren Leerlaufspannung kleiner oder gleich der Ladeschlussspannung der zugeordneten Batteriezelle 112i ist, auch in beliebiger anderer Weise realisiert werden. Anstelle einer einzelnen Batteriezelle 112i kann einem Teilstring auch eine Parallelschaltung von mehreren gleichartigen Batteriezellen zugeordnet sein.
  • In jedem Fall ergibt sich jedoch eine sehr einfache und kompakte Bauform einer solaren Stromversorgungsvorrichtung, welche das Prinzip der Selbstregelung verwendet und somit keinerlei Ladungsausgleichssystem erfordert.
  • Selbstverständlich kann die Schaltungsanordnung zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie, die in den vorstehend erläuterten Stromversorgungsvorrichtungen 100 beinhaltet ist (diese umfasst sämtliche Komponenten, abgesehen von den Batteriezellen), auch in einer reinen Batterieladevorrichtung integriert sein. Eine derartige Ladevorrichtung kann für solche wiederaufladbare Batterien verwendet werden, bei denen die Anschlüsse bzw. Pole der einzelnen in Serie geschalteten Batteriezellen zugänglich sind. Die Ladevorrichtung muss dann selbstverständlich so ausgebildet sein, dass die betreffenden Anschlüsse der Batteriezellen für den Ladevorgang mit den Anschlüssen der Ladevorrichtung verbunden und nach Beendigung des Ladevorgangs wieder getrennt werden können. Die Anschlüsse der Ladevorrichtung entsprechen dabei den Anschlüssen zwischen den Teilstrings 108i (welche auch die zugeordnete Diode 110 umfassen) und den Batteriezellen 112i , wie dies aus den 2 bis 4 ersichtlich ist.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Stromversorgungsvorrichtung
    3
    Solarzelleneinheit
    5
    wiederaufladbare Batterie
    7
    Diode
    9
    elektrische Last
    100
    Stromversorgungsvorrichtung
    102
    elektrische Last
    104
    Solarzelle
    106
    wiederaufladbare Batterie
    108i
    Teilstring (1≤i≤N; wobei N die Anzahl der Teilstrings bezeichnet)
    110
    Diode
    112i
    Batteriezelle (1≤i≤N; wobei N die Anzahl der Batteriezellen bezeichnet)
    200
    Solarmodul
    202
    Rahmen
    204
    positiver Lastanschluss
    206
    negativer Lastanschluss
    ILi
    Ladestrom (1≤i≤N; wobei N die Anzahl der Teilstrings bzw. Batteriezellen bezeichnet)
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1768224 A1 [0003]
    • DE 2811285 A1 [0003]
    • DE 1614923 [0003]

Claims (11)

  1. Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung, insbesondere vom öffentlichen Stromnetz unabhängige Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung, mit einem positiven (204) und einem negativen (206) Lastanschluss für den Anschluss einer elektrischen Last, mit einer Mehrzahl von photovoltaischen Zellen (104) und einer wiederaufladbaren Batterie (5), welche wenigstens zwei in Serie geschaltete Batteriezellen (112i) umfasst, dadurch gekennzeichnet, (a) dass die photovoltaischen Zellen (104) zu einer der Anzahl der Batteriezellen (112i) entsprechenden Anzahl von seriell verbundenen Teilstrings (108i) verschaltet sind und (b) dass jeder Teilstring (108i) mit einem positiven Teilstringanschluss mit einem Pluspol und mit einem negativen Teilstringanschluss mit einem Minuspol einer zugeordneten Batteriezelle (112i) oder mehreren zugeordneten parallel geschalteten Batteriezellen (112i) verbunden ist, (c) wobei jeder Teilstring (108i) zwischen dem positiven und negativen Teilstringanschluss eine maximale Leerlaufspannung erzeugen kann, die kleiner oder gleich einer vorgegebenen Ladeschlussspannung der zugeordneten Batteriezelle (112i) oder der zugeordneten parallel geschalteten Batteriezellen (112i) ist.
  2. Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Serie zu den photovoltaischen Zellen (104) jedes Teilstrings (108i) eine Schaltungsanordnung vorgesehen ist, welche einen von den photovoltaischen Zellen (104) des Teilstrings (108i) erzeugten Strom (ILi) nur vom betreffenden positiven zum betreffenden negativen Teilstringanschluss fließen lässt und einen Stromfluss in der Gegenrichtung blockiert.
  3. Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltungsanordnung aus einer einzigen Diode (110) oder einer Parallelschaltung von mehreren Dioden (110) besteht.
  4. Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Teilstring (108i) eine Anzahl von in Serie geschalteten photovoltaischen Zellen (104) umfasst.
  5. Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der in Serie geschalteten photovoltaischen Zellen (104) so gewählt ist, dass die maximale Leerlaufspannung des Teilstrings (108i) kleiner oder gleich der vorgegebenen Ladeschlussspannung der zugeordneten Batteriezelle (112i) oder der zugeordneten parallel geschalteten Batteriezellen (112i) ist.
  6. Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Teilstrings (108i) jeweils eine Parallelschaltung von Sub-Teilstrings umfassen, wobei jeder Sub-Teilstring so ausgebildet ist, wie ein Teilstring nach Anspruch 4 oder 5.
  7. Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese wenigstens ein Solarmodul (200) umfasst, in welchem die photovoltaischen Zellen (104) matrixartig angeordnet sind, und dass die Batteriezellen (112i) in einem das wenigstens eine Solarmodul (200) umgebenden Rahmen (202) vorgesehen oder an diesem befestigt sind.
  8. Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Reihe oder jede Spalte der Matrix von photovoltaischen Zellen (104) einen oder mehrere Teilstrings (108i) bilden und dass alle diesen Teilstrings (108i) zugeordneten Batteriezellen (112i) in einem Bereich seitlich der betreffenden Reihe oder Spalte von photovoltaischen Zellen (104) angeordnet sind.
  9. Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Reihe oder jede Spalte der Matrix von photovoltaischen Zellen (104) genau einen Teilstring (108i) bildet und dass alle diesen Teilstrings (108i) zugeordneten Batteriezellen auf derselben Seite oder alternierend auf beiden Seiten angeordnet sind.
  10. Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Reihe oder jede Spalte der Matrix von photovoltaischen Zellen (104) genau zwei nebeneinander bzw. untereinander angeordnete Teilstrings (108i) bildet und dass jede einem dieser Teilstrings (108i) zugeordnete Batteriezelle (112i) auf der Seite des betreffenden Teilstrings (108i) angeordnet ist.
  11. Schaltungsanordnung zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie, welche wenigstens zwei in Serie geschaltete Batteriezellen (112i) umfasst, mit einer Mehrzahl von photovoltaischen Zellen (104), dadurch gekennzeichnet, (a) dass die photovoltaischen Zellen (104) zu seriell verbundenen Teilstrings (108i) verschaltet sind, deren Anzahl zumindest der Anzahl der Batteriezellen (112i) der wiederaufladbaren Batterie (5) entspricht, wobei die Teilstrings (108i) vorzugsweise jeweils eine vorgegebene Anzahl seriell verschalteten photovoltaischen Zellen (104) umfassen, und (b) dass jeder Teilstring (108i) mit einem positiven Teilstringanschluss mit einem Pluspol und mit einem negativen Teilstringanschluss mit einem Minuspol einer zugeordneten Batteriezelle (112i) der wiederaufladbaren Batterie (5) oder mehreren zugeordneten parallel geschalteten Batteriezellen (112i) der wiederaufladbaren Batterie (5) verbindbar ist und (c) wobei jeder Teilstring (108i) zwischen dem positiven und negativen Teilstringanschluss eine maximale Leerlaufspannung erzeugen kann, die kleiner oder gleich einer vorgegebenen Ladeschlussspannung der Batteriezellen (112i) der wiederaufladbaren Batterie (5) ist.
DE102018108104.9A 2018-04-05 2018-04-05 Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung, insbesondere vom öffentlichen Stromnetz unabhängige Photovoltaik-Stromversorgungsvorrichtung, und hierfür geeignete Ladeschaltungsanordnung Ceased DE102018108104A1 (de)

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