DE102022117189A1

DE102022117189A1 - Energiemanagementgerät und damit gebildetes System

Info

Publication number: DE102022117189A1
Application number: DE102022117189.2A
Authority: DE
Inventors: Timo Manuel Holzkamp; Jan-Philipp Jansen; Jonathan Jansen
Original assignee: Wago Verwaltungs GmbH
Current assignee: Wago Verwaltungs GmbH
Priority date: 2022-07-11
Filing date: 2022-07-11
Publication date: 2024-01-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiemanagementgerät für eine elektrische Anlage, die ein Netzteil, das eingangsseitig an ein Wechselspannungsnetz anschließbar ist, und ein von dem Netzteil mit Gleichspannung versorgtes Elektrogerät aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem ein System aufweisend ein solches Netzteil, ein Elektrogerät sowie ein Energiemanagementgerät.

Description

Die Erfindung betrifft ein Energiemanagementgerät für eine elektrische Anlage, die ein Netzteil, das eingangsseitig an ein Wechselspannungsnetz anschließbar ist, und ein von dem Netzteil mit Gleichspannung versorgtes Elektrogerät aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem ein System aufweisend ein solches Netzteil, ein Elektrogerät sowie ein Energiemanagementgerät.
Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet der DC- bzw. Gleichstrom-Stromversorgung von grundsätzlich beliebigen Elektrogeräten, d.h. von Baugruppen und Systemen, z.B. Elektrogeräten in industriellen Anlagen. Die Abkürzung DC steht dabei für eine Versorgung mit Gleichspannung und Gleichstrom. Die Abkürzung AC wird für Wechselspannung benutzt.
Elektrogeräte, die als Versorgung eine DC-Energieversorgung benötigen, werden üblicherweise direkt an ein sogenanntes AC-Netzteil angeschlossen. Bei einem AC-Netzteil handelt es sich somit um ein Netzgerät, das dazu ausgelegt ist, eingangsseitig an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen zu werden, z.B. an ein 220 V- oder 110 V-Netz. Ein solches Netzteil beinhaltet einen Wandler, der aus der vom Wechselspannungsnetz zugeführten elektrischen Energie die für die Versorgung des Elektrogeräts erforderliche Gleichspannung bereitstellt, d.h. eine Gleichspannung in der für das Elektrogerät passenden Höhe sowie mit einem ausreichenden Strom. Das Netzgerät kann auch eine Stromregelung haben, sodass ausgangsseitig ein geregelter Strom bereitgestellt wird. Auch für solche Netzteile wird nachfolgend einheitlich von einer Gleichspannungsversorgung gesprochen.
Solche Netzteile dienen dazu, eines oder mehrere daran angeschlossene Elektrogeräte zuverlässig mit der zu deren Betrieb benötigten elektrischen Energie zu versorgen. Der dauerhafte Betrieb des Netzteils geht jedoch mit einer dauerhaften Verlustleistung einher. Der Wirkungsgrad üblicher Netzteile ist dabei abhängig vom Arbeitspunkt. Bei großen elektrischen Ausgangsleistungen des Netzteils, die nahe an der Nennleistung des Netzteils liegen, wird normalerweise ein hoher Wirkungsgrad erreicht. Wird vom Elektrogerät nur eine kleinere elektrische Leistung benötigt, die deutlich kleiner als die für das Netzteil spezifizierte Nennleistung ist, ist der resultierende Wirkungsgrad des Netzteils üblicherweise erheblich geringer. Man spricht hier auch vom sogenannten Schwachlastverhalten des Netzteils. In diesem Fall wird die Verlustleistung des Netzteils im Verhältnis zur an das Elektrogerät abgegebenen elektrischen Leistung prozentual größer.
Insbesondere bei der Versorgung von Elektrogeräten, die hinsichtlich ihrer Leistungsaufnahme über die Zeit eine große Dynamik aufweisen, ist dies mit dem Nachteil verbunden, dass das Netzteil häufig mit ungünstigem Wirkungsgrad betrieben wird, da es hinsichtlich seiner Nennleistung auf die maximal erforderliche Leistungsaufnahme des angeschlossenen Elektrogeräts ausgelegt sein muss. Dies führt insbesondere bei zu versorgenden Elektrogeräten, bei denen eine große Leistungsaufnahme relativ selten vorkommt, zu einem ineffizienten Gesamtsystem im Hinblick auf den elektrischen Energieverbrauch. Das Netzteil befindet sich dann aufgrund der Auslegung auf die große maximale Leistungsaufnahme des Elektrogeräts im zeitlichen Mittel häufig in einem ineffizienten Arbeitspunkt. Der Wirkungsgrad des Netzteils ist dann gering und somit die Verlustleistung prozentual gesehen groß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine energieeffizientere Lösung für den Betrieb eines Elektrogeräts an einem Netzteil anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Energiemanagementgerät für eine elektrische Anlage, die ein Netzteil, das eingangsseitig an ein Wechselspannungsnetz anschließbar ist, und ein von dem Netzteil mit Gleichspannung versorgtes Elektrogerät aufweist, wobei das Energiemanagementgerät zum mit dem Netzteil und dem Elektrogerät eingerichtet ist, derart dass Gleichspannungs-Ausgangsanschlüsse des Netzteils mit Gleichspannungs-Eingangsanschlüssen des Energiemanagementgeräts verbunden werden können und das Elektrogerät mit Gleichspannungs-Abgabeanschlüssen des Energiemanagementgeräts verbunden und vom Energiemanagementgerät mit Gleichspannung versorgt werden kann, wobei das Energiemanagementgerät eine Abschaltvorrichtung hat, über die das Netzteil durch das Energiemanagementgerät abschaltbar ist, insbesondere durch Auftrennung wenigstens einer Netzleitung, mit der das Netzteil mit dem Wechselspannungsnetz verbunden ist, mittels der Abschaltvorrichtung. Das Energiemanagementgerät eignet sich insbesondere für eine Anlage mit einem mit Gleichspannung versorgten Elektrogerät, dessen elektrischer Energiebedarf über die Zeit erheblichen Schwankungen unterliegt
Die Erfindung hat den Vorteil, dass eine prinzipiell beliebige elektrische Anlage, auch eine bereits vorhandene elektrische Anlage, aus einem Netzteil und einem daraus mit Gleichspannung versorgtem Elektrogerät durch das Energiemanagementgerät zu einem energieeffizienteren System umgestaltet werden kann. Durch das Energiemanagementgerät, das sozusagen wie ein Zwischenschaltgerät zwischen das Netzteil und das Elektrogerät geschaltet wird, kann ein verbessertes Energiemanagement realisiert werden. Das Energiemanagementgerät ist dabei in der Lage, das Netzteil abzuschalten, z.B. wenn das Energiemanagementgerät feststellt, dass das Netzteil in einem ungünstigen Betriebspunkt mit hoher Verlustleistung betrieben wird. Zudem hat das Energiemanagementgerät Zugriff auf die Gleichspannungsversorgungsleitungen, mit denen das Elektrogerät mit der Gleichspannung versorgt wird. Wird das Netzteil vom Energiemanagementgerät abgeschaltet, kann beispielsweise das Energiemanagementgerät selbst das Elektrogerät weiter mit Gleichspannung versorgen oder auf eine andere, effizientere Gleichspannungsquelle umschalten, z.B. auf ein anderes Netzteil, das im vorliegenden Betriebspunkt effizienter arbeitet, oder auf eine sonstige externe Gleichspannungsquelle wie z.B. einen Akkumulator.
Es ist auch möglich, dass das Energiemanagementgerät selbst vollständig mit dem Wechselspannungsnetz verbunden ist und über ein eigenes integriertes Netzgerät verfügt, das auf eine geringere Nennleistung als das externe Netzteil ausgelegt ist und dementsprechend bei geringer Leistungsaufnahme des angeschlossenen Elektrogeräts mit besserem Wirkungsgrad arbeiten kann. Dann kann das Energiemanagementgerät bei abgeschaltetem externen Netzteil das Elektrogerät aus seinem eigenen integrierten Netzgerät mit der erforderlichen Gleichspannung versorgen.
Das Elektrogerät kann z.B. ein Elektrogerät sein, das in einem Normalbetriebsmodus und in einem Energiesparmodus betreibbar ist. Dabei ist der elektrische Energiebedarf des Elektrogeräts im Energiesparmodus erheblich geringer als im Normalbetriebsmodus, z.B. weniger als die Hälfte des Energiebedarfs im Normalbetriebsmodus.
An das Energiemanagementgerät kann ein einzelnes Elektrogerät oder eine parallelgeschaltete Anordnung mehrerer Einzelgeräte angeschlossen sein. In diesem Sinne umfasst der Begriff „Elektrogerät“ sowohl ein einzelnes Elektrogerät als auch eine Anordnung mehrerer parallelgeschalteter Einzelgeräte.
Sofern das Netzteil einen Steuereingang oder eine Kommunikationsschnittstelle hat, kann die Abschaltung des Netzteils mittels der Abschaltvorrichtung z.B. derart erfolgen, dass das Energiemanagementgerät ein entsprechendes Steuersignal oder einen Steuerbefehl über die Kommunikationsschnittstelle an das Netzteil aussendet. In analoger Weise kann ein Wiedereinschalten des Netzteils durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Netzteil durch das Energiemanagementgerät über wenigstens eine Steuerleitung, mit der das Netzteil mit dem Energiemanagementgerät verbunden ist, mittels der Abschaltvorrichtung abgeschaltet werden. Hierbei kann das Netzteil insbesondere primärseitig deaktiviert werden.
Das Energiemanagementgerät kann dementsprechend dem Netzteil und dem Elektrogerät in irgendeiner Weise beigeordnet sein. Wie erwähnt, kann das das Energiemanagementgerät insbesondere zum Zwischenschalten in die Gleichspannungsversorgung von dem Netzteil zu dem Elektrogerät eingerichtet sein. Das Netzteil kann z.B. ein einphasiges oder dreiphasiges AC-Netzteil sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Netzteil durch das Energiemanagementgerät durch Auftrennung wenigstens einer Netzleitung, mit der das Netzteil mit dem Wechselspannungsnetz verbunden ist, mittels der Abschaltvorrichtung abschaltbar ist.
Das Energiemanagementgerät kann als eigenständiges Gerät ausgebildet sein, zum Beispiel mit einem eigenen Gehäuse. Das Energiemanagementgerät kann auch baulich in ein anderes Gerät integriert sein, zum Beispiel in das Netzteil oder das Elektrogerät.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass wenigstens eine Netzleitung, mit der das Netzgerät mit dem Wechselspannungsnetz verbindbar oder verbunden ist, direkt mit wenigstens einem Wechselspannungs-Eingangsanschluss des Energiemanagementgeräts verbindbar ist und das Energiemanagementgerät wenigstens einen Wechselspannungs-Ausgangsanschluss hat, über den das Netzteil mit der an den wenigstens einen Wechselspannungs-Eingangsanschluss des Energiemanagementgeräts angeschlossenen wenigstens einen Netzleitung verbindbar ist. Auf diese Weise wird das Energiemanagementgerät auch im Sinne eines Zwischenschaltgeräts in die eine oder die mehreren Netzleitungen, mit denen das Netzgerät mit dem Wechselspannungsnetz verbunden ist, eingeschleift. Dies erlaubt es, dass eine im Energiemanagementgerät integrierte Abschaltvorrichtung das Netzteil durch Auftrennung wenigstens einer Netzleitung abschalten kann.
Selbstverständlich kann das Energiemanagementgerät bei Bedarf das Netzteil über die Abschaltvorrichtung auch wieder einschalten.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels der Abschaltvorrichtung wahlweise der wenigstens eine Wechselspannungs-Ausgangsanschluss mit dem wenigstens einen Wechselspannungs-Eingangsanschluss des Energiemanagementgeräts verbindbar oder nicht verbindbar ist.
Das Netzteil kann z.B. zum Anschluss über zwei Netzleitungen (Phase und Nullleiter) oder über drei Netzleitungen (Phase, Nullleiter und Schutzleiter) an das Wechselspannungsnetz eingerichtet sein. Dabei ist zumindest die Netzleitung Phase dann in der zuvor erläuterten Weise über das Energiemanagementgerät zu führen und mit dem Netzgerät zu verbinden. Es können auch die weiteren Netzleitungen über das Energiemanagementgerät geführt und mit dem Netzgerät verbunden werden. In diesem Fall kann die Abschaltvorrichtung mehrpolig ausgebildet sein, sodass jede einzelne über das Energiemanagementgerät geführte Netzleitung einzeln abgeschaltet werden kann bzw. auch wieder zugeschaltet werden kann.
Die Abschaltvorrichtung kann als schaltendes Element beispielsweise ein elektromechanisches Schaltelement, z.B. ein Relais, aufweisen, oder elektronische Schaltelemente, z.B. elektronische Leistungsschalter wie z.B. FET, IGBT oder vergleichbare Halbleiterschalter.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Energiemanagementgerät wenigstens einen Energiespeicher zum Speichern von elektrischer Energie hat und das Energiemanagementgerät zur Versorgung des Elektrogeräts mit elektrischer Energie aus dem wenigstens einen Energiespeicher über die Gleichspannungs-Abgabeanschlüsse eingerichtet ist, zumindest wenn vom Netzteil temporär keine elektrische Energie über die ersten Gleichspannungsversorgungsleitungen zugeführt wird. Dies hat den Vorteil, dass von dem Energiemanagementgerät auf sehr effiziente Weise die für die Versorgung des Elektrogeräts erforderliche elektrische Energie bereitgestellt werden kann, wenn das Netzteil abgeschaltet ist. Zudem kann der wenigstens eine Energiespeicher besonders effizient von dem Netzteil aufgeladen werden. Dabei kann das Netzteil bevorzugt in der Nähe seiner Nennleistung betrieben werden und dementsprechend mit einem guten Wirkungsgrad arbeiten. Der wenigstens eine Energiespeicher kann z.B. zum Speichern von über die Gleichspannungs-Eingangsanschlüsse vom Netzteil zugeführter elektrischer Energie eingerichtet sein. Der wenigstens eine Energiespeicher kann auch aus einer anderen Energiequelle mit elektrischer Energie versorgt werden. Das Energiemanagementgerät kann insbesondere zur automatischen Versorgung des Elektrogeräts mit elektrischer Energie aus dem wenigstens einen Energiespeicher über die Gleichspannungs-Abgabeanschlüsse eingerichtet sein.
Durch einen solchen Energiespeicher kann zudem die Funktionalität einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) zusätzlich bereitgestellt werden, insbesondere ohne dass ein zusätzlicher Hardware-Aufwand erforderlich ist.
Der wenigstens eine Energiespeicher kann durch einen oder mehrere Kondensatoren und/oder einen oder mehrere Akkumulatoren gebildet sein. Als Kondensatoren kommen insbesondere Hochleistungskondensatoren in Frage, wie z.B. Li-Ion- oder Gold-Cap-Kondensatoren. Als Akkumulatoren kommen wiederaufladbare elektrochemische Energiespeicher in Frage, z.B. auf Lithiumbasis. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat der wenigstens eine elektrische Energiespeicher eine Speicherkapazität von wenigstens 10 Wh.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Energiemanagementgerät dazu eingerichtet, den Ladezustand des wenigstens einen Energiespeichers zu überwachen. Abhängig von dem Ladezustand kann das Energiemanagementgerät dann weitere Funktionen ausführen, z.B. um den Energiespeicher zu schonen. Der Ladezustand des Energiespeichers kann auch auf einer Anzeigevorrichtung des Energiemanagementgeräts angezeigt werden. Das Energiemanagementgerät kann ein Anzeigeelement haben, durch das eine Fehlfunktion und/oder Alterung des wenigstens einen Energiespeichers angezeigt werden kann. Das Energiemanagementgerät kann dazu eingerichtet sein, im Falle der Erkennung einer Fehlfunktion und/oder Alterung des wenigstens einen Energiespeichers automatisch eine Versorgung des Elektrogeräts aus der vom Netzteil bereitgestellten Gleichspannung durchzuführen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat das Energiemanagementgerät eine Ladeschaltung zum Aufladen des wenigstens einen elektrischen Energiespeichers. Die Ladeschaltung kann z.B. die zuvor erwähnte Überwachung des Ladezustands beinhalten. Die Ladeschaltung kann beispielsweise mit den Gleichspannungs-Eingangsanschlüssen des Energiemanagementgeräts und damit mit der vom Netzteil zur Verfügung gestellten Gleichspannung verbunden sein, um den wenigstens einen Energiespeicher auf diesem Wege zu laden. Die Ladeschaltung kann auch mit einem internen Netzgerät des Energiemanagementgeräts verbunden sein, um auf diese Weise den wenigstens einen Energiespeicher zu laden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Energiemanagementgerät dazu eingerichtet ist, das Netzteil mittels der Abschaltvorrichtung abzuschalten, wenn der Ladezustand des wenigstens einen Energiespeichers oberhalb eines ersten Grenzwerts liegt und/oder der elektrische Energiebedarf des Elektrogeräts unterhalb eines zweiten Grenzwerts liegt. Auf diese Weise kann ein zuverlässiges Lademanagement für den wenigstens einen Energiespeicher bei gleichzeitiger zuverlässiger elektrischer Energieversorgung des Elektrogeräts bereitgestellt werden. Beispielsweise kann der erste Grenzwert einen hohen Ladezustand des wenigstens einen Energiespeichers definieren, d.h. zumindest einen Ladezustand, der größer als die Hälfte der verfügbaren Kapazität des wenigstens einen Energiespeichers ist. Der zweite Grenzwert kann z.B. derart festgelegt werden, dass sich das Elektrogerät dann typischerweise in einem Ruhezustand bzw. in einem Energiesparmodus befindet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Energiemanagementgerät dazu eingerichtet ist, das Netzteil mittels der Abschaltvorrichtung einzuschalten, wenn der Ladezustand des wenigstens einen Energiespeichers unterhalb eines dritten Grenzwerts liegt und/oder der elektrische Energiebedarf des Elektrogeräts oberhalb eines vierten Grenzwerts liegt. Hierdurch wird ein rechtzeitiges Nachladen des wenigstens einen Energiespeichers sowie eine Aufrechterhaltung der elektrischen Energieversorgung des Elektrogeräts sichergestellt, wenn dieses eine hohe Leistungsaufnahme hat. Beispielsweise kann der dritte Grenzwert derart festgelegt werden, dass dieser im Bereich des unteren Drittels der Kapazität des wenigstens einen Energiespeichers liegt. Der vierte Grenzwert kann z.B. derart gewählt sein, dass dieser überschritten ist, wenn das Elektrogerät nicht mehr im Energiesparmodus betrieben ist, sondern im Normalbetriebsmodus. In vielen Fällen wird somit der erste Grenzwert größer als der dritte Grenzwert sein. Es ist aber auch möglich, dass der dritte Grenzwert identisch mit dem ersten Grenzwert ist. In vielen Fällen wird der vierte Grenzwert größer als der zweite Grenzwert sein. Es ist aber auch möglich, dass der vierte Grenzwert identisch mit dem zweiten Grenzwert ist.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Energiemanagementgerät eine Spannungsstabilisierungseinrichtung hat, durch die die vom Energiemanagementgerät an das Elektrogerät aus dem wenigstens einen Energiespeicher abgegebene Gleichspannung auf einem konstanten Wert gehalten wird. Hierdurch wird sichergestellt, dass auch bei abgeschaltetem Netzteil das Elektrogerät zuverlässig mit der passenden Gleichspannung versorgt wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Spannungsstabilisierungseinrichtung wenigstens einen DC-DC-Wandler hat. Dies hat den Vorteil, dass das Elektrogerät mit der gewünschten Gleichspannung versorgt werden kann, z.B. 12 V oder 24 V. Dabei muss der wenigstens eine Energiespeicher nicht zwangsläufig eine an die für das Elektrogerät erforderliche Gleichspannung angepasste Nennspannung haben. Dementsprechend ist eine größere Flexibilität bei der Auswahl des wenigstens einen elektrischen Energiespeichers vorhanden.
Durch einen solchen DC-DC-Wandler, d.h. einen Gleichspannungs-Gleichspannungs-Wandler kann eine zuverlässige und konstante Gleichspannung für die Versorgung des Elektrogeräts generiert werden. Der DC-DC-Wandler kann je nach Einsatzzweck einen Buck- oder Boost-Converter aufweisen.
Das Energiemanagementgerät kann eine Steuerelektronik haben, die z.B. als eine Hardwareschaltung ausgeführt ist. Die Steuerelektronik kann auch eine Softwaresteuerung beinhalten, z.B. indem die Steuerelektronik wenigstens einen Mikroprozessor oder Mikrocontroller aufweist, der ein Steuerprogramm ausführt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat das Energiemanagementgerät einen externen Steuereingang, über den dem Energiemanagementgerät Anforderungen bezüglich des Aufladens des wenigstens einen Energiespeichers zugeführt werden können. Beispielsweise kann über den externen Steuereingang ein Laden des wenigstens einen Energiespeichers abhängig von der Verfügbarkeit elektrischer Energie gesteuert werden, z.B. wenn der wenigstens eine Energiespeicher aus einer Photovoltaikanlage aufgeladen werden soll.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung hat das Energiemanagementgerät eine Kommunikationsschnittstelle. Über die Kommunikationsschnittstelle kann das Energiemanagementgerät beispielsweise mit dem Netzteil und/oder dem Elektrogerät kommunizieren. Beispielsweise kann das Elektrogerät über die Kommunikationsschnittstelle dem Energiemanagementgerät mitteilen, ob es gerade im Normalbetriebsmodus oder im Energiesparmodus betrieben ist. Zudem kann das Elektrogerät dem Energiemanagementgerät mitteilen, ob ein Wechsel des Betriebsmodus unmittelbar bevorsteht. Auf diese Weise kann das Energiemanagementgerät bereits vor der tatsächlichen Änderung des elektrischen Leistungsbedarfs des Elektrogeräts beispielsweise das Netzteil wieder einschalten oder schon frühzeitiger abschalten, wenn das Energiemanagementgerät erkennt, dass für eine verbleibende kurze Restzeit im Normalbetriebsmodus der Ladezustand des wenigstens einen Energiespeichers für die weitere Versorgung des Elektrogeräts ausreichend ist.
Über die Kommunikationsschnittstelle kann das Energiemanagementgerät beispielsweise auch einen Stromausfall des Wechselspannungsnetzes melden.
Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein System aufweisend

a) ein Netzteil, das eingangsseitig über Netzleitungen an ein Wechselspannungsnetz anschließbar ist, einen AC-DC-Wandler zur Umwandlung der vom Wechselspannungsnetz zugeführten elektrischen Energie in Gleichspannung und Gleichspannungs-Ausgangsanschlüsse zur Abgabe elektrischer Energie als Gleichspannung hat,
b) ein oder mehrere Elektrogeräte, das oder die zur elektrischen Energieversorgung mit Gleichspannung zu versorgen ist,
c) ein Energiemanagementgerät der zuvor erläuterten Art, wobei die Gleichspannungs-Ausgangsanschlüsse des Netzteils mit Gleichspannungs-Eingangsanschlüssen des Energiemanagementgeräts verbunden sind und das Elektrogerät mit Gleichspannungs-Abgabeanschlüssen des Energiemanagementgeräts verbunden ist und vom Energiemanagementgerät mit Gleichspannung versorgt wird.

Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Elektrogerät in einem Normalbetriebsmodus und in einem Energiesparmodus betreibbar ist, wobei der elektrische Energiebedarf des Elektrogeräts im Energiesparmodus weniger als die Hälfte des Energiebedarfs im Normalbetriebsmodus ist. Beispielsweise kann der Energiebedarf im Energiesparmodus weniger als 20 % des Energiebedarfs im Normalbetriebsmodus betragen. Beispielsweise kann das Elektrogerät dazu eingerichtet sein, im zeitlichen Mittel überwiegend, zum Beispiel zu wenigstens 70 %, in dem Energiesparmodus betrieben zu werden
Mit dem erfindungsgemäßen Energiemanagementgerät sowie dem zuvor erläuterten System ist es somit möglich, Elektrogeräte mit einer Gleichspannung aus einem Netzteil zu versorgen, auch wenn das Elektrogerät den Großteil seiner Betriebszeit eine sehr geringe Leistungsaufnahme hat und nur in seltenen Betriebsphasen eine sehr hohe Leistungsaufnahme hat, die um ein Vielfaches größer als die meistens vorliegende sehr geringe Leistungsaufnahme ist. Auf diese Weise wird eine technische Lösung angegeben, die sowohl bei kleinen Leistungsaufnahmen des Elektrogeräts effizient arbeitet als auch temporär große Spitzenleistungen zur Verfügung stellen kann.
Kurz zusammengefasst können mit der Erfindung folgende Vorteile realisiert werden:

- Kleinerer Leistungsbedarf des Gesamtsystems (zu versorgendes System inkl. AC-Netzteil)
- Effizienz des Gesamtsystems wird größer
- Notstrom- bzw. USV-Funktion (falls AC-seitig keine Versorgung mehr gegeben ist, kann das System DC-seitig so lange weiterbetrieben aus dem Energiespeicher werden, bis dieser entleert ist)
- Melden von Stromausfällen, durch optionale Kommunikationsschnittstelle
- Geringere EMV Emissionen auf Grund der kürzeren Betriebszeit
- Kostenersparnis (AC-Netzteil kann kleiner dimensioniert werden)
- Längere Produkt-Lebensdauer des AC-Netzteils (weniger Betriebsstunden, kleinere Eigenerwärmung und somit geringere Alterung)

Im Sinne der vorliegenden Erfindung ist unter dem unbestimmten Begriff „ein“ kein Zahlwort zu verstehen. Wenn also z.B. von einem Bauteil die Rede ist, so ist dies im Sinne von „mindestens einem Bauteil“ zu interpretieren. Soweit Winkelangaben in Grad gemacht werden, beziehen sich diese auf ein Kreismaß von 360 Grad (360°).
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Verwendung der Zeichnung 1 näher erläutert. Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Energiemanagementgeräts 1 und eines damit gebildeten Systems.
Das Energiemanagementgerät 1 hat einen oder mehrere Wechselspannungs-Eingangsanschlüsse 2, 3, 4, über die das Energiemanagementgerät 1 direkt über Wechselspannungsleitungen 21 mit einem Wechselspannungsnetz 20 verbunden werden kann. Beispielsweise kann an einem Wechselspannungs-Eingangsanschluss 2 die Leitung Phase (L) des Wechselspannungsnetzes 20 angeschlossen sein, an einem Wechselspannungs-Eingangsanschluss 3 der Nullleiter (N) und an einem Wechselspannungs-Eingangsanschluss 4 der Schutzleiter (PE).
Das Energiemanagementgerät 1 hat außerdem wenigstens einen Wechselspannungs-Ausgangsanschluss 5, 6, 7. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Wechselspannungs-Ausgangsanschluss 5 für die Phase (L) vorgesehen, ein Wechselspannungs-Ausgangsanschluss 6 für den Nullleiter (N) und ein Wechselspannungs-Ausgangsanschluss 7 für den Schutzleiter (PE). Die Wechselspannungs-Ausgangsanschlüsse 5, 6, 7 sind über Wechselspannungsleitungen 31 mit den entsprechenden Wechselspannungs-Anschlüssen 32 eines Netzteils 30 verbunden.
Für die Realisierung der Erfindung müssen nicht unbedingt alle drei Wechselspannungsleitungen L, N und PE über das Energiemanagementgerät 1 geführt sein. Beispielsweise können auch bestimmte Leitungen, wie z.B. N und PE, von dem Wechselspannungsnetz 20 direkt mit dem Netzteil 30 verbunden sein. Es ist aber sinnvoll, zumindest die Phase, d.h. den Leiter L, über das Energiemanagementgerät 1 zu führen und somit indirekt mit dem Netzteil 30 zu verbinden.
Das Netzteil 30 konvertiert die über die Wechselspannungsleitungen 31 zugeführte Wechselspannung in eine Gleichspannung, die an Gleichspannungs-Ausgangsanschlüssen 33 des Netzteils 30 über Gleichspannungsleitungen 34 abgegeben werden. Die Gleichspannungsleitungen 34 sind mit Gleichspannungs-Eingangsanschlüssen 8, 9 des Energiemanagementgeräts 1 verbunden. Beispielsweise kann eine Plus-Leitung mit dem Eingangsanschluss 8 verbunden sein, eine Minus-Leitung mit dem Eingangsanschluss 9.
Das Energiemanagementgerät 1 weist Gleichspannungs-Abgabeanschlüsse 10, 11 auf, über die eine zur Versorgung eines Elektrogeräts 40 geeignete Gleichspannung abgegeben wird, die von der Höhe her der vom Netzteil 30 abgegebenen Gleichspannung entsprechen kann oder auch davon abweichen kann. Beispielsweise kann über den Gleichspannungs-Abgabeanschluss 10 das Plus-Potential abgegeben werden, über den Gleichspannungs-Abgabeanschluss 11 das Minus-Potential. Die vom Energiemanagementgerät 1 abgegebene Gleichspannung wird über Gleichspannungsleitungen 41 zu einem Gleichspannungsanschluss des Elektrogeräts 40 geführt. Auf diese Weise wird das Elektrogerät 40 über das Energiemanagementgerät 1 mit der für den Betrieb erforderlichen Gleichspannung versorgt.
Das Energiemanagementgerät 1 muss dabei nicht unbedingt, wie in 1 dargestellt, zwei voneinander getrennte Eingangs- und Abgabeanschüsse 9, 11 für das Minus-Potential haben. Es kann auch ein gemeinsamer Anschluss vorhanden sein, der sowohl als Gleichspannungs-Eingangsanschluss 9 als auch als Gleichspannungs-Abgabeanschluss 11 für das Minus-Potential fungiert.
Das Energiemanagementgerät 1 hat eine Abschaltvorrichtung 12, einen Energiespeicher 13 mit zugehöriger Ladeschaltung, einen DC-DC-Wandler 15 sowie eine Steuerelektronik 14. Die Steuerelektronik 14 dient zur Steuerung der Abschaltvorrichtung 12, des Ladevorgangs und Entladevorgangs des Energiespeichers 13 sowie zur Abgabe der Gleichspannung über die Gleichspannungs-Abgabeanschlüsse 10, 11. Mittels der Abschaltvorrichtung 12 kann das Netzteil 30 abgeschaltet werden, z.B. indem die über das Energiemanagementgerät 1 geführten Wechselspannungsleitungen aufgetrennt werden. Selbstverständlich kann über die Abschaltvorrichtung 12 das Netzgerät 30 auch wieder eingeschaltet werden.
Wird das Elektrogerät 40 in einem Normalbetriebsmodus mit hoher Leistungsaufnahme betrieben, ist das Netzteil 30 eingeschaltet. Die vom Netzteil 30 über die Gleichspannungsleitungen 34 zugeführte elektrische Energie wird dann direkt zur Versorgung des Elektrogeräts 40 verwendet, d.h. vom Energiemanagementgerät 1 an das Elektrogerät 40 wieder abgegeben. Zusätzlich kann in diesem Betriebsmodus, wenn genügend Restleistung des Netzteils 30 zur Verfügung steht, dessen elektrische Energie auch zum Aufladen des Energiespeichers 13 verwendet werden. Die Steuerelektronik 14 überwacht dabei den Ladevorgang des Energiespeichers 13 sowie den aktuellen Ladezustand. Sobald der Energiespeicher 13 einen ausreichenden Ladezustand erreicht hat, kann beispielsweise die Steuerelektronik 14 über die Abschaltvorrichtung 12 das Netzteil 30 abschalten. Ab diesem Zeitpunkt wird das Elektrogerät 40 vom Energiemanagementgerät 1 aus der elektrischen Energie des Energiespeichers versorgt, d.h. über den DC-DC-Wandler 15, der vom Energiespeicher 13 gespeist ist. Das Elektrogerät 40 kann z.B. solange aus dem Energiespeicher 13 versorgt werden, bis dieser einen niedrigen Ladestand erreicht hat. Dann schaltet die Steuerelektronik 14 das Netzteil über die Abschaltvorrichtung 12 wieder ein. Es beginnt dann erneut der Vorgang des Aufladens des Energiespeichers.
Sofern die Kapazität des Energiespeichers 13 relativ gering in Relation zur Leistungsaufnahme des Elektrogeräts 40 im Normalbetrieb ist, kann das Abschalten des Netzteils 30 auch in Abhängigkeit von der jeweils aktuellen Leistungsaufnahme bzw. dem aktuellen Betriebsmodus des Elektrogeräts 40 durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Netzteil 30 solange eingeschaltet bleiben, solange das Elektrogerät 40 im Normalbetrieb läuft. Geht das Elektrogerät 40 in einen Energiesparmodus über, kann die Steuerelektronik 14 bei entsprechendem Ladezustand des Energiespeichers 13 das Netzteil 30 abschalten. Geht das Elektrogerät 40 wieder in den Normalbetriebsmodus über, kann die Steuereinheit 14 das Netzteil 30 wieder einschalten, um eine durchgehende elektrische Versorgung des Elektrogeräts 40 zu gewährleisten.
Bezugszeichenliste

1: Energiemanagementgerät
2, 3, 4: Wechselspannungs-Eingangsanschluss
5, 6, 7: Wechselspannungs-Ausgangsanschluss
8, 9: Gleichspannungs-Eingangsanschluss
10, 11: Gleichspannungs-Abgabeanschluss
12: Abschaltvorrichtung
13: Energiespeicher
14: Steuerelektronik
15: DC-DC-Wandler
20: Wechselspannungsnetz
21: Wechselspannungsleitungen
30: Netzteil
31: Wechselspannungsleitungen
32: Wechselspannungs-Anschlüsse
33: Gleichspannungs-Ausgangsanschlüsse
34: Gleichspannungsleitungen
40: Elektrogerät
41: Gleichspannungsleitungen

Claims

Energiemanagementgerät (1) für eine elektrische Anlage, die ein Netzteil (30), das eingangsseitig an ein Wechselspannungsnetz (20) anschließbar ist, und ein von dem Netzteil (30) mit Gleichspannung versorgtes Elektrogerät (40) aufweist, wobei das Energiemanagementgerät (1) zum Verbinden mit dem Netzteil (30) und dem Elektrogerät (40) eingerichtet ist, derart dass Gleichspannungs-Ausgangsanschlüsse (33) des Netzteils (30) mit Gleichspannungs-Eingangsanschlüssen (8, 9) des Energiemanagementgeräts (1) verbindbar sind und das Elektrogerät (40) mit Gleichspannungs-Abgabeanschlüssen (10, 11) des Energiemanagementgeräts (1) verbindbar und hierüber vom Energiemanagementgerät (1) mit Gleichspannung versorgbar ist, wobei das Energiemanagementgerät (1) eine Abschaltvorrichtung (12) hat, über die das Netzteil (30) durch das Energiemanagementgerät (1) abschaltbar ist.
Energiemanagementgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Netzleitung, mit der das Netzteil (30) mit dem Wechselspannungsnetz (20) verbindbar oder verbunden ist, direkt mit wenigstens einem Wechselspannungs-Eingangsanschluss (2, 3, 4) des Energiemanagementgeräts (1) verbindbar ist und das Energiemanagementgerät (1) wenigstens einen Wechselspannungs-Ausgangsanschluss (5, 6, 7) hat, über den das Netzteil (30) mit der an den wenigstens einen Wechselspannungs-Eingangsanschluss (2, 3, 4) des Energiemanagementgeräts (1) angeschlossenen wenigstens einen Netzleitung verbindbar ist.
Energiemanagementgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Abschaltvorrichtung (12) wahlweise der wenigstens eine Wechselspannungs-Ausgangsanschluss (5, 6, 7) mit dem wenigstens einen Wechselspannungs-Eingangsanschluss (2, 3, 4) des Energiemanagementgeräts (1) verbindbar oder nicht verbindbar ist.
Energiemanagementgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiemanagementgerät (1) wenigstens einen Energiespeicher zum Speichern von elektrischer Energie hat und das Energiemanagementgerät (1) zur Versorgung des Elektrogeräts (40) mit elektrischer Energie aus dem wenigstens einen Energiespeicher (13) über die Gleichspannungs-Abgabeanschlüsse (10, 11) eingerichtet ist.
Energiemanagementgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiemanagementgerät (1) dazu eingerichtet ist, das Netzteil (30) mittels der Abschaltvorrichtung (12) abzuschalten, wenn der Ladezustand des wenigstens einen Energiespeichers (13) oberhalb eines ersten Grenzwerts liegt und/oder der elektrische Energiebedarf des Elektrogeräts (40) unterhalb eines zweiten Grenzwerts liegt.
Energiemanagementgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiemanagementgerät (1) dazu eingerichtet ist, das Netzteil (30) mittels der Abschaltvorrichtung (12) einzuschalten, wenn der Ladezustand des wenigstens einen Energiespeichers (13) unterhalb eines dritten Grenzwerts liegt und/oder der elektrische Energiebedarf des Elektrogeräts (40) oberhalb eines vierten Grenzwerts liegt.
Energiemanagementgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Energiemanagementgerät (1) eine Spannungsstabilisierungseinrichtung hat, durch die die vom Energiemanagementgerät (1) an das Elektrogerät (40) aus dem wenigstens einen Energiespeicher (13) abgegebene Gleichspannung auf einem konstanten Wert gehalten wird.
Energiemanagementgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsstabilisierungseinrichtung wenigstens einen DC-DC-Wandler (15) hat.
Energiemanagementgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Energiespeicher (13) zum Speichern von über die Gleichspannungs-Eingangsanschlüsse (8, 9) vom Netzteil (30) zugeführter elektrischer Energie eingerichtet ist.
Energiemanagementgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzteil (30) durch das Energiemanagementgerät (1) durch Auftrennung wenigstens einer Netzleitung, mit der das Netzteil (30) mit dem Wechselspannungsnetz (20) verbunden ist, mittels der Abschaltvorrichtung (12) abschaltbar ist.
Energiemanagementgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Netzteil (30) durch das Energiemanagementgerät (1) über wenigstens eine Steuerleitung, mit der das Netzteil (30) mit dem Energiemanagementgerät (1) verbunden ist, mittels der Abschaltvorrichtung (12) abschaltbar ist.
System aufweisend a) ein Netzteil (30), das eingangsseitig über Netzleitungen an ein Wechselspannungsnetz (20) anschließbar ist, einen AC-DC-Wandler zur Umwandlung der vom Wechselspannungsnetz (20) zugeführten elektrischen Energie in Gleichspannung und Gleichspannungs-Ausgangsanschlüsse (33) zur Abgabe elektrischer Energie als Gleichspannung hat, b) ein oder mehrere Elektrogeräte (40), das oder die zur elektrischen Energieversorgung mit Gleichspannung zu versorgen ist, c) ein Energiemanagementgerät (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Gleichspannungs-Ausgangsanschlüsse (33) des Netzteils (30) mit Gleichspannungs-Eingangsanschlüssen (8, 9) des Energiemanagementgeräts (1) verbunden sind und das Elektrogerät (40) mit Gleichspannungs-Abgabeanschlüssen (10, 11) des Energiemanagementgeräts (1) verbunden ist und hierüber vom Energiemanagementgerät (1) mit Gleichspannung versorgt wird.
System nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrogerät (40) in einem Normalbetriebsmodus und in einem Energiesparmodus betreibbar ist, wobei der elektrische Energiebedarf des Elektrogeräts (40) im Energiesparmodus weniger als die Hälfte des Energiebedarfs im Normalbetriebsmodus ist.
System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Elektrogerät (40) dazu eingerichtet ist, im zeitlichen Mittel überwiegend, zum Beispiel zu wenigstens 70 %, in dem Energiesparmodus betrieben zu werden.