DE10235139A1 - Einrichtung zur Überwachung des Entladevorgangs eines Akkumulators - Google Patents

Abstract

Für einen mit Laden und Entladen zyklisierten Akkumulator, insbesondere einen Bleiakkumulator, wird zum Schutz gegen Schäden durch Tiefentladung vorgeschlagen, einen Mindestwert nach Maßgabe des Zeitverlaufs einer Ladezustandsgröße adaptiv nachzuführen.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Überwachung des Entladevorgangs eines Akkumulators, insbesondere eines Blei-Akkumulators, welcher Lade- und Entladevorgängen ausgesetzt (zyklisiert) ist.
• Derartige Einrichtungen sind an sich bekannt, um Schäden an Akkumulatoren durch Tiefentladung zu vermeiden oder zu verringern. Solche Einrichtungen sind daher auch als Tiefentladeschutz bezeichnet. Im einfachsten Fall wird dabei die Klemmenspannung des Akkumulators mit einem unteren Schwellwert verglichen und bei Unterschreiten des Schwellwerts wird der Stromkreis zu angeschlossenen Verbrauchern aufgetrennt und z. B. nach Vollladung des Akkumulators wieder freigegeben.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine derartige Einrichtung zur Überwachung des Entladevorgangs eines Akkumulators dahingehend zu verbessern, dass bei für den Benutzer unkomplizierter Handhabung Schädigungen des Akkumulators durch Tiefentladung vermieden oder zumindest gering gehalten werden und die Leistungsfähigkeit des Akkumulators lange Zeit hoch bleibt.
• Die Erfindung ist im Patentanspruch 1 beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
• Die adaptive Nachführung eines Mindestwerts als Vergleichswert für eine aktuelle Ladezustandsgröße anhand des Zeitverlaufs einer solchen Ladezustandsgröße ermöglicht vorteilhafterweise eine Berücksichtigung des Benutzerverhaltens in die Schutzmaßnahmen für den Akkumulator, ohne dass der Benutzer selbst die z. T. komplexen Zusammenhänge der Abläufe im Akkumulator näher verstehen oder sich dessen bewusst sein muss. Die automatische Nachführung des Mindestwerts wirkt wieder auf das Benutzerverhalten zurück, indem z. B. in bekannter Weise der Mindestwert als Schaltschwelle für die Auftrennung des Stammkreises zu angeschlossenen elektrischen Verbrauchsgeräten vorgenommen und/oder dem Benutzer das Absinken der Ladezustandsgröße auf den Mindestwert signalisiert wird. Es zeigt sich, dass durch die adaptive Einstellung auch das Benutzerverhalten dahingehend beeinflussbar ist, dass Tiefentladungen weitgehend vermieden und ein hoher mittlerer Ladezustand erreicht wird. Insbesondere zeigt sich auch, dass mit der erfindungsgemäßen adaptiven Einstellung des Mindestwerts auch ein längeres Verharren des Akkumulators in einem Zustand geringer Ladung, welcher bei Bleiakkumulatoren mit Schwefelsäure als Elektrolyt auch ohne sehr tiefe Entladung eine Schädigung des Akkumulators durch sogenannte Sulfatation bewirken kann, vermieden werden kann.
• Die adaptive Einstellung des Mindestwerts ermöglicht insbesondere auf einfache und vorteilhafte Weise, einen Trend, in Entladezeiträumen größere Energiemengen zu entnehmen als in dazwischenliegenden Ladezeiträumen eingelagert werden, frühzeitig zu erkennen und durch Anheben des Mindestwerts aufzuhalten oder auch umzukehren. Die Erfindung ist damit besonders vorteilhaft beim Einsatz eines Akkumulators in Verbindung mit einer Ladeenergiequelle, bei welcher eine Vollladung eines teilentladenen Akkumulators vor erneuter Entnahme elektrischer Leistung nicht gewährleistet werden kann, beispielsweise bei autarken photovoltaischen Anlagen oder Energiequellen wie Windkraft, Wasserkraft usw., insbesondere in Entwicklungsländern. Die Erfindung kann aber auch vorteilhaft sein in netzunabhängigen Systemen wie solar gespeisten Straßenlampen.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird in der Steuereinrichtung ein vorgebbarer gleitender Bewertungszeitraum aus dem zurückliegenden Zeitverlauf der Ladezustandsgröße betrachtet, innerhalb dessen der Zeitverlauf ausgewertet wird. Ein bevorzugter solcher Bewertungszeitraum ist ungefähr gleich einer Tageslänge, vorzugsweise geringfügig, z. B. bis zu 25 %, größer, so dass ein typischer Tag-Nacht-Verbrauchszyklus durch den Bewertungszeitraum erfasst ist. Insbesondere bei photovoltaischer Ladeenergiequelle, teilweise auch bei Windkraftnutzung, umfasst diese Dauer auch einen Ladezeitraum und somit insgesamt einen typischen Lade-Entlade-Zyklus. Je nach Nutzungsart können auch andere Bewertungszeiträume sinnvoll sein, beispielsweise ca. 1 Woche. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann ein Zyklusdetektor aus dem längeren Zeitverlauf einer Ladezustandsgröße eine angemessene Lade-Entlade-Zyklusdauer automatisch ermitteln und den Bewertungszeitraum daran ausrichten, insbesondere geringfügig größer wählen.
• Bei einer vorteilhaften Betrachtung des Zeitverlaufs der Ladezustandsgröße ermittelt die Steuereinrichtung Extremwerte (Maxima und/oder Minima) im Zeitverlauf und/oder nimmt zu vorgebbaren Zeitpunkten Messproben der Ladezustandsgröße. Solche Zeitpunkte können z. B. durch einen Zeitgeber bestimmt oder bei Solaranlagen systemimmanent beispielsweise als Sonnenaufgang und Sonnenuntergang bestimmbar sein.
• Eine vorteilhafte Variante der Auswertung kann hierbei vorsehen, dass für den Fall, dass die Ladezustandsgröße auf den bestehenden Mindestwert absinkt, die Steuereinrichtung den Mindestwert anhebt. Ein Anstieg der Ladezustands größe auf einen oberen Vergleichswert, insbesondere das Erreichen der Vollladung des Akkumulators kann in entsprechender Weise in eine Absenkung des Mindestwerts umgesetzt werden. In anderer Ausführung kann vorgesehen sein, dass eine Messprobe der Ladezustandsgrösse mit der entsprechenden Probe aus einem um eine Zyklusdauer zurückliegenden Zeitpunkt in Beziehung gesetzt wird und ein Absinken des Probenwerts zu einer Anhebung des Mindestwerts, ein Anstieg des Probenwerts zu einer Absenkung des Mindestwerts führt. Anstelle von oder zusätzlich zu zu bestimmten Zeitpunkten genommenen Messproben können Extremwerte der Ladezustandsgröße innerhalb des Bewertungszeitraums mit zugeordneten zeitlich zurückliegenden Extremwerten verglichen und Abweichungen in eine Veränderung des Mindestwerts umgesetzt werden. In wieder anderer Ausführung kann ein über den Betrachtungszeitraum gemittelter Durchschnittswert einer Ladezustandsgröße und/oder das Mittel von Maximal- und Minimalwert bestimmt und mit dem Mittelwert von Mindestwert und Vollladung und/oder mit einem Durchschnittswert aus dem vorangegangenen Betrachtungszeitraum verglichen und aus Abweichungen eine Veränderung des Mindestwerts abgeleitet werden. Hierbei kann jeweils ein Toleranzfenster für geringe Abweichungen (z. B. < 5 %) der verglichenen Werte gesetzt werden, innerhalb dessen der Mindestwert unverändert bleibt. Die verschiedenen Bewertungskriterien können auch miteinander zu einer komplexeren Bewertung verknüpft sein.
• Als Ladezustandsgröße kann beispielsweise direkt die Klemmenspannung des Akkumulators herangezogen werden. In anderer Ausführung kann der Entlade- und/oder Ladestrom gemessen und ausgehend vom Vollladezustand über eine Amperestundenaufsummierung der Ladezustand fortgeschrieben werden (Amperestundenbilanzierung). Es kann auch vorgesehen sein, zur Bestimmung eines aktuellen Werts für eine Ladezustandsgröße die Parameter Spannung, Strom und Zeit zu verknüpfen, beispielsweise nach einem Fuzzy-Logic- Verfahren oder unter Einsatz neuronaler Netze. Bevorzugterweise werden Lade- und/oder Entladestrom mit der Klemmenspannung verknüpft, um einen Wert für eine Ladezustandsgröße zu ermitteln. Diese kann beispielsweise in Prozent oder Bruchteilen des Vollladezustands angezeigt und oder verarbeitet werden. In vorteilhafter Ausführung erfolgt die Anzeige des Ladezustands in Anteilen der Differenz der Ladezustandsgröße zwischen Vollladung und Mindestwert. Beispielsweise kann eine Skala vorgesehen sein, deren Maximalwert (z. B. 100 %) der Vollladung und deren Nullpunkt dem aktuellen Mindestwert entspricht. Die dem Skalenbereich vom Nullpunkt bis zum Maximalwert entsprechende Kapazitätsmenge variiert dann je nach durch die Steuereinrichtung eingestellten Mindestwert.
• Der Mindestwert der Ladegröße kann eine Schaltschwelle zur Unterbrechung eines Stromkreises, über welchen Verbrauchsgeräte aus dem Akkumulator gespeist sind, bilden. Von der Steuereinrichtung ansteuerbare Schaltmittel, insbesondere Relais oder Halbleiterschalter, sind in verschiedener Ausführung bekannt. Einer solchen Stromkreisunterbrechung kann ein Warnsignal, insbesondere akustisch und/oder optisch, vorausgeschickt werden. Je nach angeschlossenen Geräten können auch verschiedene Stromkreise nacheinander abgeschaltet werden. In anderer Ausführung kann der Mindestwert auch nur zur Auslösung eines Warnsignals oder als Hinweis an dem Benutzer eingesetzt sein.
• Als Steuereinrichtung sind vorteilhafterweise digitale, insbesondere programmierbare Signalverarbeitungseinrichtungen eingesetzt, vorzugsweise Mikrocontroller oder Mikroprozessoren. Zusatzeinrichtungen wie Speicher für einzelne Werte oder Wertefolgen der Ladezustandsgröße, Speicher für den Mindestwert, Digital-Analog- und Analog-Digital-Wandler, Taktgeber, Zeitgeber usw. können als Peripherie-Bauteile vorhanden oder in die Signalverarbei tungseinrichtungen integriert sein. Vorrichtungen zur Ermittlung von Spannungs- und Stromwerten oder einer daraus zusammengesetzten Ladezustandsgröße, welche auch in der Signalverarbeitungseinrichtung aus separat gemessenen Spannungs- und Stromwerten ermittelt erden kann, sind an sich bekannt und können als Teil der Steuereinrichtung oder getrennte Module ausgebildet ein.
• Die Erfindung ist nachfolgend anhand von vorteilhaften Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Abbildungen noch veranschaulicht. Dabei zeigt
• 1 eine Zusammenstellung von Komponenten einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
• 2 einen schematischen Zeitverlauf verschiedener Größen.
• In 1 ist eine autarke Stromversorgungsanlage mit einem Akkumulator AK, insbesondere einem Blei-Akkumulator skizziert, welcher über eine photovoltaische Einrichtung PV, typischerweise unter Zwischenschaltung eines Ladereglers aufladbar ist. Aus dem Akkumulator sind elektrische Verbraucher V1, V2, ... gespeist. Die Verbraucher sind typischerweise einzeln zu- und abschaltbar. In die gemeinsame Zuleitung vom Akkumulator zu den Verbrauchern ist ein Schalter SCH eingefügt, mittels dessen nach Maßgabe einer Steuereinrichtung SE der Stromkreis zur Versorgung der Verbraucher aufgetrennt werden kann.
• Eine Steuereinrichtung SE enthält einen programmierbaren Mikrokontroller MC, welchem bei Bedarf zusätzlich zu einem integrierten Speicher ein externer Speicherbaustein SP beigeordnet sein kann. Von Vorteil kann weiter ein Zeitgeber ZG sein, welcher z. B. auch drahtlos eine Zeitinformation von einem entfernten Zeitnormal empfangen kann, welcher aber auch z. B. über Lichtsensoren einen anlageneigenen Zeitrhythmus, z. B. als Tag-Nacht-Folge, generieren kann.
• Durch Detektoren ID und UD werden fortlaufend oder zu diskreten Zeitpunkten Messproben der Klemmenspannung des Akkumulators und des Ladestroms IL bzw. Entladestroms EL des Akkumulators gewonnen und dem Mikrocontroller zugeleitet. Dieser ermittelt aus den zugeleiteten Werten gegebenenfalls unter Einbeziehung gespeicherter Werte aktuelle Werte einer Ladezustandsgröße. Diese ermittelten Werte können auf einer Anzeige AZ vorzugsweise als relative Kapazität bis zu einem in der Steuereinrichtung festgelegten Mindestwert der Ladezustandsgröße angezeigt werden.
• Der Mikrocontroller bewertet die ermittelten Werte der Ladezustandsgröße anhand einer gespeicherten Vorschrift, wofür bereits einige Beispiele beschrieben wurden, und leitet daraus insbesondere eine Entscheidung ab, ob der gespeicherte Mindestwert beibehalten oder verändert wird. Die automatische Veränderbarkeit des Mindestwerts ist von wesentlicher Bedeutung gegenüber einem durch den Benutzer oder den Hersteller vorgegebenen Mindestwert.
• Ein Vergleich des aktuellen Werts der Ladezustandsgröße mit dem Mindestwert kann in der Steuereinrichtung oder auch in von dieser getrennten Modulen zur Abgabe eines Warnsignals WS und/oder zur Betätigung des Ausschalters SCH führen.
• In den in 2 skizzierten Zeitverläufen verschiedener Größen des Akkumulators bzw. der Steuereinrichtung in einer Stromversorgungsanlage mit photovoltaischer Ladeenergiequelle ist der Einfachheit halber angenommen, dass innerhalb eines Tag-Nacht-Zyklus die Tagabschnitte und die Nachtabschnitte konstant gleich lang sind und dass während des Tagabschnitts T nur ein konstanter Ladevorgang und während des Nachtabschnitts N nur ein konstanter Entladevorgang auftritt. Die Verläufe von Ertrag (während des Ladevorgangs) und Verbrauch (während des Entladevorgangs) sowie der verfügbaren und der angezeigten Kapazität verlaufen dann in linearen Rampen.
• Bei dem skizzierten Beispiel sei als gespeicherte Vorschrift angenommen, dass bei jedem Nacht-Tag-Wechsel zeitgesteuert oder helligkeitsgesteuert ein aktueller Wert der Kapazität (als Ladezustandsgröße) bestimmt und mit dem am Vortag bestimmten Wert verglichen wird. Falls der morgendliche aktuelle Ladezustand höher ist als zur gleichen Zeit am Vortag, wird der Mindestwert um ein Inkrement von z. B. 10 % der Vollladungs-Kapazität des Akkumulators abgesenkt, wenn der aktuelle Ladezustand niedriger ist als zur gleichen Zeit am Vortag, wird der Mindestwert entsprechend angehoben. Als zusätzliches Kriterium wird berücksichtigt, dass im Falle einer Lastabschaltung (Pfeile im Diagramm) durch Absinken der Ladezustandsgröße auf den jeweils geltenden Mindestwert der Mindestwert angehoben und bei Erreichen einer Vollladung der Mindestwert abgesenkt wird. Eine Veränderung des Mindestwerts ist jeweils auf ein Inkrement von 10 % je Tag-Nacht-Zyklus beschränkt. Der Mindestwert kann nicht höher als 70 % und nicht tiefer als 30 % gesetzt werden.
• Die beispielhaft geschilderte Vorschrift erfasst noch nicht alle zu berücksichtigenden Fallkonstellationen und soll lediglich als einfaches Beispiel zur Veranschaulichung dienen. Im Realfall kann auch eine komplexere Vorschrift mit geringem Aufwand in dem Mikrocontroller abgelegt werden.
• In dem oberen Diagramm (A) von 2 sind die Verläufe von Ladezustandsgröße LG mit durchgezogener Linie und von adaptivem Mindestwert MW mit unterbrochener Linie ausgehend von einer Startsituation mit Vollladung und Startwert MW = 50 % skizziert. Im unteren Diagramm (B) sind die Verläufe von Ertrag ER aus einer photovoltaischen Ladeenergiequelle zur Erhöhung des Ladezustands und von zur Verringerung des Ladezustands führendem Verbrauch VE skizziert, jeweils während des betroffenen Zeitabschnitts aufsummiert.
• Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.

Claims (16)

1. Einrichtung zur Überwachung des Entladevorgangs eines Entlade- und Ladevorgängen ausgesetzten Akkumulators, insbesondere eines Blei-Akkumulators, mit einer Vergleichsstufe, welche fortlaufend einen aktuellen Wert einer Ladezustandsgröße des Akkumulators mit einem vorgebbaren Mindestwert vergleicht, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung den Mindestwert nach Maßgabe des Zeitverlaufs der Ladezustandsgröße adaptiv einstellt.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung Extremwerte der Ladezustandsgröße innerhalb eines vorgebbaren Bewertungszeitraums zur Einstellung des Mindestwerts auswertet und Mittel zur Bestimmung solcher Extremwerte vorhanden sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bewertungszeitraum ungefähr einen Tag beträgt.
4. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zyklusdetektor eine Zyklusdauer von Entlade- und Ladevorgängen ermittelt und der Bewertungszeitraum ungefähr gleich der Zyklusdauer gesetzt wird.
5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung innerhalb eines Bewertungszeitraums maximal zwei Anpassungen des Mindestwerts vornimmt.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung den Mindestwert um vorgegebene Inkremente verändert.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung den Mindestwert rekursiv erneuert.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung die Ladezustandsgröße mit wenigstens einem Schwellwert vergleicht.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung Differenzwerte von Ladezustandsgrößen auswertet.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung bei Absinken der Ladezustandsgröße auf den Mindestwert diesen erhöht.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung bei Erreichen des Vollladezustands des Akkumulators den Mindestwert absenkt.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Anzeigevorrichtungen eine Ladezustandsgröße relativ zu dem Mindestwert anzeigen.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Signaleinrichtungen das Absinken der Ladezustandsgröße auf dem Vergleichswert signalisieren.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Signaleinrichtungen akustische und/oder optische Warnsignale erzeugen.
15. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Schaltmittel nach Maßgabe der Ladezustandsüberwachung Verbraucher vom Akkumulator trennen.
16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass sie Teil einer Stromversorgung mit photovoftaischer Ladeenergiequelle ist.