DE19740433A1 - Mobiles kombiniertes Energieversorgungsgerät mit wahlweisem Solar- oder Netzstrombetrieb - Google Patents

Mobiles kombiniertes Energieversorgungsgerät mit wahlweisem Solar- oder Netzstrombetrieb

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DE19740433A1 DE19740433A DE19740433A DE19740433A1 DE 19740433 A1 DE19740433 A1 DE 19740433A1 DE 19740433 A DE19740433 A DE 19740433A DE 19740433 A DE19740433 A DE 19740433A DE 19740433 A1 DE19740433 A1 DE 19740433A1
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein mobiles kombiniertes Energieversorgungsgerät mit wahlweisem Solar- oder Netzstrombetrieb zur Ladung von Akkumulatoren oder zum Betrieb von elektrischen Kleinverbrauchern mit einem externe Anschlußbuchsen aufweisenden Gerätegehäuse mit einem aufklappbaren Gehäusedeckel, unter dem im Gehäuse ein interner Puffer-Akkumulator, eine Lade-/Entladeeinrichtung und verschiedene Aufnahmeschächte für aufzuladende Akkumulatoren angeordnet sind und der mit dem Solargenerator für den Solarstrombetrieb verbunden ist.
Mobile Kombinationen aus Akkuladegerät und energieautarker Versorgungsstation für elektrische Kleinverbraucher gewinnen zunehmend an technischer Bedeutung. Viele elektrische Geräte, wie beispielsweise Mobiltelefone, Gamcorder oder Laptop-Computer, werden von ihren Benutzern zumeist fernab von Anschlußmöglichkeiten an das jeweilige örtliche Netz betrieben. Die Benutzer sind daher neben der Netzanschlußmöglichkeit zusätzlich auf leistungsfähige Batterien oder eine Solarstromversorgung des Geräts selbst oder wiederaufladbarer Batterien angewiesen.
Der Stand der Technik, von dem die Erfindung ausgeht, wird gebildet durch die DE-U1 88 01 229. In dieser Druckschrift wird ein Solargenerator beschrieben, der in zusammengeklapptem Zustand in einem Koffer als Gerätegehäuse angeordnet ist und im Inneren des Kofferdeckels gehalten wird. Zum Betrieb ist er dem Deckel zu entnehmen und separat der Sonneneinstrahlung auszusetzen. Die Verbindung zum Koffer, der an einem unbestrahlten Ort aufgestellt werden kann, erfolgt dabei über eine entsprechend lange Zuleitung. Mit einer derartigen Anordnung können wiederaufladbare Akkumulatoren und elektrische Verbraucher alternativ mittels des Solargenerators, mit Hilfe des vorhandenen internen Puffer- Akkumulators oder durch direkten Netzbetrieb versorgt werden. Der interne Puffer-Akkumulator, bei dem es sich um einen Blei-Gel-Akkumulator handeln kann, kann mittels des Solargenerators oder über ein angeschlossenes Netzladegerät aufgeladen werden. Im Bedarfsfall kann er in seiner Funktion als Puffer-Akku die gespeicherte Energie unabhängig von seiner aktuellen Beladung, d. h. auch unabhängig von der momentanen Lichteinstrahlung, an den Verbraucher abgeben.
Die entsprechende Regelung erfolgt bei dem bekannten Gerät über eine an einem Zwischendeckel im Koffer befestigte Lade-/Entladeeinrichtung. Zusammen mit einem Netzgerät ermöglicht sie die Umwandlung einer Wechselspannung in eine für den Ladevorgang externer aufzuladender Batterien erforderliche Gleichspannung, sorgt für eine Strom- bzw. Spannungsbegrenzung des Solargenerators und ermöglicht zusammen mit einer zusätzlichen Schaltuhr eine Vorwahl der erforderlichen Ladezeit sowie zusammen mit einem zusätzlichen Schieberegler eine strom- bzw. spannungsmäßige Einstellung des internen Puffer-Akkumulators zur Anpassung an die zu versorgenden Geräte oder externen Batterien. Alle Regelvorgänge benötigen jedoch manuelle Einstellarbeiten.
Der bekannte Solargenerator mit der separaten Aufstellfunktion und dem Lade- und Entladeregler mit seinen zusätzlichen Regelelementen stellt jedoch immer noch eine relativ große und unhandliche Einheit in Koffergröße dar, bei der der Benutzer die meisten Arbeits-, Einstell- und Anpassungsvorgänge an den jeweiligen Verbraucher selbst von Hand durchführen muß.
Aus der DE-A1 36 11 544 ist eine mobiles Gerät im reinen Solarstrombetrieb zur ausschließlichen Versorgung von Kleinverbrauchern mit einem modularen Solargenerator und einem internen Puffer-Akku bekannt, bei der die Regeleinrichtung, die ebenfalls modular aufgebaut ist, einen Laderegler für den Solarstrom mit einem integrierten Mikroprozessor und einem Inverter aufweist. Dieser ist jedoch ausschließlich für eine optimale Ladung des internen Puffer-Akkus zuständig und übernimmt neben der Spannungswandlung keine weiteren Funktionen, da es sich bei diesem Gerät um eine reine Versorgungsstation handelt. Außerdem ist bei diesem Gerät kein eigentliches schützendes Gehäuse vorgesehen, das Regelgerät ist Teil des Solargenerators, an dessen Rückseite der Puffer-Akku angeordnet ist.
Um ein reines Ladegerät mit wahlweisem Solar- oder Netzstrombetrieb handelt es sich bei der aus der DE-U1 94 05 672 bekannten Ladeeinheit für den Speicher-Akku eines Mobiltelefons mit integriertem Solarmodul. Das in das Telefongehäuse ebenfalls integrierte Ladesteuergerät weist einen Mikroprozessor auf, mit dem die Ladung des Speicher-Akkus in unregelmäßigen Zeitintervallen in Abhängigkeit von der gemessenen Batteriespannung gesteuert wird. Dieser soll außerdem verhindern, daß eine Beeinträchtigung des Speicher-Akkus durch den Memory-Effekt auftritt. Weitere Regelungen oder Anpassungen sind hier nicht vorgesehen.
Das technische Problem, mit dem sich die Erfindung befaßt, besteht darin, ein mobiles kombiniertes Energieversorgungsgerät der eingangs beschriebenen Art mit wahlweisem Solar- oder Netzstrombetrieb zur Ladung von Akkumulatoren oder zum Betrieb von elektrischen Kleinverbrauchern so weiterzubilden, daß es für den Benutzer einfach und ohne weitere Umstände direkt nutzbar ist. Dabei soll es, ebenfalls ohne den Benutzer zu belasten, eine größtmögliche Anpassungsfähigkeit zur wahlweisen optimalen Energieversorgung der unterschiedlichsten Kleinverbraucher oder externen Akkumulatoren aufweisen. Die Mittel zur Weitergestaltung des Geräts sollen dabei einfach und damit kostengünstig sein und seine Mobilität nicht beeinflussen.
Die erfindungsgemäße Lösung hierfür sieht vor, daß der Solargenerator fest in den Gehäusedeckel mit seiner Einstrahlfläche nach außen zeigend eingebaut ist, der Gehäusedeckel variabel arretierbar ist und daß die Lade-/Entladeeinrichtung aus einer einzigen zentralen Regelelektronik besteht, über die mit Hilfe eines integrierten Mikroprozessors alle Regelaufgaben nach dem Prinzip der intelligenten Lade- und Betriebsüberwachung ausführbar sind und die ausschließlich mit der vom internen Puffer- Akkumulator bereitgestellten Betriebsspannung versorgt ist.
Von wesentlicher Bedeutung für die Erfindung ist die besondere Kompaktheit und Vielseitigkeit der erfindungsgemäßen mobilen Universalstation, die im Solarstrombetrieb sowohl auf Reisen und Ausflügen im Freien für die genannten Zwecke als auch innerhalb von Räumen am Fenster zur Erhaltungsladung von Akkus dienen kann. Im Netzbetrieb, beispielsweise über einen optionalen Netzadapter, ist dort ebenfalls der gesamte Funktionsumfang verfügbar.
Der Solargenerator ist direkt in den Gehäusedeckel des Geräts eingebaut und benötigt keine zusätzlichen Aufstellmaßnahmen. Um einen optimalen Einstrahlwinkel zu erhalten, ist der Gehäusedeckel definiert klapp- und arretierbar. Dabei ist ein optimaler Anstellwinkel zur Sonne je nach Jahres- und Tageszeit zwischen 10° und 45° problemlos einstellbar. Durch das Aufklappen des Deckels werden gleichzeitig die darunter im Gehäuse liegenden Bauelemente, insbesondere der interne und die externen Akkus, wirkungsvoll beschattet und zusammen mit dem Solargenerator hinterlüftet. Trotz der direkten Aufstellung des gesamten Geräts im Sonnenlicht werden also wärmeempfindliche Teile nicht durch die Sonneneinstrahlung beeinträchtigt. Im zugeklappten Zustand schließt der Deckel das Gerätegehäuse und fixiert alle untergebrachten Elemente und schützt sie sicher vor schädlichen Einflüssen. Die Unterbringung aller weiteren Elemente unter dem Solargenerator unterstützt die hohe Funktionalität des erfindungsgemäßen Kombigeräts und bewirkt die große Kompaktheit.
Von wesentlicher Bedeutung für die Vielseitigkeit des erfindungsgemäßen Geräts ist die Ausbildung der Lade-/Entladeeinrichtung als zentrale intelligente Regelelektronik mit einem integrierten Mikroprozessor. Zunächst entfallen zusätzliche Regelelemente, wie beispielsweise Schaltuhren oder Schieberegler, weil der gesamte Regelvorgang grundsätzlich über eine entsprechende Software ablaufen kann. Mit dem Gerät ist es möglich, die Ladung externer Akkus mit einer vorprogrammiert angepaßten Ladeelektronik automatisch vorzunehmen und zu überwachen. Dies erfolgt ausschließlich unabhängig von der momentanen Lichteinstrahlung mit einer konstanten Versorgungsspannung aus dem Puffer-Akkumulator. Insbesondere ist der Einsatz einer derartigen Regelelektronik nur dadurch möglich, daß der interne Puffer-Akkumulator durch den über das Solarmodul eingespeicherten Strom eine konstante Betriebsspannung gewährleistet. Durch die Netzunabhängigkeit kann eine Akkuladung zu jedem Zeitpunkt und an jedem Ort erfolgen und dauert maximal 3 Stunden; zusätzlich ist eine Entladefunktion implementiert, die den bei NiCd-Akkus nach Teilentladungen oder Überladungen auftretenden "Memory-Effekt" verhindert. Die Ladeelektronik, die nach dem Prinzip der sogenannten intelligenten Ladeüberwachung arbeitet, erhöht die Lebensdauer von NiCd- oder NiMH- Akkus drastisch. Die Ladung mit einer "meteorologischen" Charakteristik gemäß dem Verlauf der Lichtintensität der Sonne im Tagesverlauf, wie sie allgemein bei den bisher bekannten Solarladegeräten zum Einsatz kommt, wird bei NiCd- oder NiMH-Akkus nicht empfohlen und hier vermieden.
Die Energieversorgung von elektrischen Kleinverbrauchern kann aus der dem Gerät momentan zugeführten Energie von der Sonne oder vom Netz oder aus der verfügbaren gespeicherten Energie unabhängig von der momentanen Einspeisungsleistung aus dem internen Puffer-Akkumulator erfolgen. Auch in diesem Betriebsmodus sorgt die Regeleinrichtung für eine intelligente Betriebsüberwachung, die den Regelfall verbraucherindividuell durchführt und den Störfall verhindert.
Der integrierte Einbau des Solargenerators in das Gerätegehäuse bedingt, daß beim Betrieb mit Sonneneinstrahlung das gesamte Gerät der Sonne ausgesetzt ist. Eine erste Maßnahme gegen Überhitzung ist die Abschattung und Hinterlüftung durch den aufklappbaren Solargenerator. Darüber hinaus ist es jedoch gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, wenn im Gerätegehäuse an der Scharnierseite und an einer daran anschließenden Seite jeweils ein leerer Stauraum vorgesehene ist. Diese Stauräume dienen als Wärmepuffer und verhindern sicher eine Überhitzung der eingebauten und eingelegten Bauelemente. Durch den Stauraum an der Scharnierseite ist die vordere Seite des Geräts gleichsam zurückversetzt und liegt damit im Schatten des Solargenerators. Aufgrund des anschließenden seitlichen Stauraums wird das Gerät, nachdem es exakt zur Sonne ausgerichtet worden ist, erst nach einer ungefähr 4 h dauernden Wanderung der Sonne um etwa 60° von einer Seite ganz beleuchtet, wenn man von einem Einsatz nördlich des Äquators ausgeht. Durch diese Maßnahmen haben auftretende hohe Temperaturen einen minimalen Einfluß auf das Betriebsverhalten von Solargenerator und Akkus. Ansonsten würden sie eine stärkere Verringerung des Solarzellen-Wirkungsgrades bewirken und einen negativen Einfluß auf die Lebensdauer und die Selbstentladung des internen Akkus sowie auf die verfügbare Kapazität eingelegter externer Akkus haben.
Als weiterführende Ausgestaltung der Erfindung ist es außerdem besonders sinnvoll, wenn das Gerätegehäuse aus weißem Kunststoff besteht. Dadurch wird die Lichtabsorption gegenüber einem schwarzen Gehäuse, wie es bei den bekannten Geräten fast ausnahmslos verwendet wird, deutlich verringert. Kunststoff ist außerdem ein leichtes, unempfindliches und preiswertes Material, so daß das Gehäuse entsprechend gut mobil handhabbar und kostengünstig ausgestaltbar ist.
Neben den beschriebenen Gesichtspunkten für eine Gerätekonzeption mit hoher Funktionalität und minimaler Beinflußbarkeit durch hohe Temperaturen ist noch der Gesichtspunkt des minimalen Platzbedarfs - auch im Hinblick auf die gute Gerätemobilität - zu berücksichtigen. Dafür ist es gemäß einer nächsten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gerätes vorteilhaft, wenn der Solargenerator als erweiterbares Hochleistungs- Solarmodul ausgeführt ist und die Bauelemente der Ladeelektronik auf der Platinenoberfläche montiert sind. Der geringe Platzbedarf eines solchen Hochleistungsmoduls mit einem mittleren Wirkungsgrad von 15% und die Oberflächenmontage bei den Elektronik-Komponenten (SMD-Technik) ermöglichen eine besonders kleine Dimensionierung des Gerätegehäuses. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von Solarzellen in Modulbauweise eine einfache Auslegung der erforderlichen Einstrahlfläche. Beispielsweise kann der integrierte Solargenerator durch ein modulares Stecksystem mit entsprechenden Moduleingängen unter Verwendung der externen Anschlußbuchsen in seiner Solarenergieleistung von 2,2 W auf 4,4 W extern erweitert werden. Mit dieser Leistung kann bei einer Lichteinstrahlung von 60 mW/cm2 bis 100 mW/cm2 bereits ein Laptop- Computer direkt betrieben werden. Derartige Lichtintensitäten sind in Deutschland in den Monaten März bis Oktober bei klarem Himmel etwa 4 h bis 8 h pro Tag verfügbar. In südlicheren Regionen verlängern sich die Nutzungszeiten entsprechend. In Marokko beispielsweise steht pro Jahr etwa die doppelte eingestrahlte Energiemenge im Vergleich zu Deutschland zur Verfügung.
Von Vorteil ist es, wenn die Ladecharakteristik des intern verwendeten Puffer- Akkus unkritisch hinsichtlich der Konstanz des zugeführten Ladestroms ist. Dies ist dann der Fall, wenn gemäß einer nächsten Erfindungsausgestaltung der interne Puffer-Akkumulator als Blei-Gel-Akkumulator oder Lithium-Ionen-Akku­ mulator ausgeführt ist. Zudem sind diese Akkutypen wartungsfrei und besitzen eine ähnliche Temperaturcharakteristik wie die verwendete Solarzelle. Ihr Einsatz führt somit zu geringen Verlusten bei der Spannungsanpassung zwischen Solargenerator und Akkumulator. Auch hier kann eine temperaturabhängige Laderegelung vorgesehen sein. Lithium- Ionen-Akkumulatoren weisen darüber hinaus eine besonders hohe Energiedichte mit einem Vielfachen des bisher üblichen Energiegehalts auf.
Die intelligente Ladeelektronik des erfindungsgemäßen mobilen Energieversorgungsgerätes geht grundlegend von der Verwendung eines integrierten Mikroprozessors aus. Für dessen optimale Funktionsfähigkeit im Regelprozeß ist es besonders vorteilhaft, wenn entsprechend einer Erfindungsfortführung die Steuerung der Stromzufuhr zum internen Akkumulator und zum externen anzuschließenden Verbraucher über ansteuerbare elektronische Leistungsschalter und zu den externen wiederaufzuladenden Akkumulatoren über im Zeitmultiplex ansteuerbare Schaltregler erfolgt. Derartige Bauelemente sind besonders zuverlässig und dabei als Massenbauteile trotzdem günstig im Preis. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird bezüglich ihrer Funktionsweise auf den speziellen Beschreibungsteil verwiesen.
Bei der Funktion des erfindungsgemäßen Energieversorgungsgerätes als Ladegerät für unterschiedliche wiederaufladbare Akkumulatoren ist für deren lange Lebensdauer die Einhaltung der spezifischen Ladekennlinie bei jedem Ladevorgang erforderlich. Durch die intelligente Ladeüberwachung kann insbesondere eine Temperaturkompensation beim Ladevorgang vorgenommen werden. Dazu ist es besonders vorteilhaft, wenn nach einer Fortführung der Erfindung eine Anpassung der Ladekennlinie des jeweiligen aufzuladenden Akkumulators an die herrschende Umgebungstemperatur beispielsweise durch Spannungsmessung an einem temperaturabhängigen Widerstand durchführbar ist. Auch hier sei zur Vermeidung von Wiederholungen auf weiterführende Erläuterungen im speziellen Beschreibungsteil verwiesen.
Den spezifischen Ladekennlinien liegen bestimmte Algorithmen zugrunde, die softwaremäßig dem Mikroprozessor zur Verfügung gestellt werden. Im Hinblick auf herkömmliche Akkumulatoren, wie beispielsweise NiCd- oder NiMH-Akkumulatoren, ist eine derartige Vorgehensweise sinnvoll und angebracht. Günstig ist es aber darüber hinaus, wenn nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Geräts an die externen Anschlußbuchsen zur Versorgung unterschiedlicher Akkumulatoren oder Geräte verschiedene intelligente Adaptermodule zur Erzeugung entweder spezieller Ladekennlinien oder zur verlustarmen Umsetzung der Ausgangsspannung anschließbar sind. Derartige Ladeadapter können speziell für Akkupacks von Mobiltelefonen, Camcordern und Laptop-Com­ putern konzipiert sein und besitzen eine an den jeweiligen Akkutyp angepaßte, ebenfalls mikroprozessorgesteuerte Ladekennlinie. Dies betrifft insbesondere neue Akkutypen mit höherer Energiedichte, die noch nicht auf dem Markt verfügbar sind und zum Teil sehr spezielle Ladecharakteristika aufweisen (z. B. Li-Ionen-Akkus). Daneben können natürlich auch Adapter mit verschiedenen Ausgangsspannungen, bei denen die Spannungsumsetzung besonders verlustarm erfolgt, an die Anschlußbuchsen angeschlossen werden. Durch derartige optionale Adapter ist das erfindungsgemäße mobile Kombi-Energieversorgungsgerät im Sinne einer modularen Konzeption beliebig erweiterbar.
Beispielhafte Ausbildungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 das erfindungsgemäße Energieversorgungsgerät in einer konstruktiven Ausführung in der Seitenansicht in einem Maßstab von ungefähr 1 : 1,5,
Fig. 2 das Gerät in der zugehörigen Draufsicht,
Fig. 3 ein mögliches Blockschaltbild für die intelligente Regelelektronik des erfindungsgemäßen Geräts und
Fig. 4 ein mögliches Zeitdiagramm für die Ansteuerung der Schaltregler in der Ladeelektronik.
In Fig. 1 ist ein mobiles kombiniertes Energieversorgungsgerät 1 dargestellt, das ein Gerätegehäuse 2 aus weißem Kunststoff mit einem dieses sicher verschließenden Gehäusedeckel 3 aufweist. Dieser ist über Scharniere 4 an einer Klappseite 5 schwenkbar gelagert und kann in einem bevorzugten Anstellwinkelbereich 13 zwischen 10° und 45° durch eine nicht weiter dargestellte Hemmung variabel arretiert werden. Ein Solargenerator 6 ist mit seiner Einstrahlfläche 7 nach außen zeigend fest in den Gehäusedeckel 3 integriert und mit diesem zusammen klappbar. Er ist so optimal zur Sonneneinstrahlung (Pfeil) einstellbar. Im Bedarfsfall kann auch im geschlossenen Deckelzustand Sonnenenergie aufgenommen werden. Durch die Klappbarkeit des Gehäusedeckels 3 zusammen mit dem Solargenerator 6 wird also zum einen das Gehäuseinnere beschattet und ausreichend belüftet und zum anderen der optimale Einstrahlwinkel eingestellt.
Der Solargenerator 6 ist als Hochleistungs-Solarmodul mit Silizium- Solarzellen ausgeführt und über einen Moduleingang 8 entsprechend modular erweiterbar. Als Energiequelle dient Licht im Intensitätsbereich zwischen 2 mW/cm2 und 100 mW/cm2. Über einen Netzteileingang 9 kann aber auch optional Energie aus dem örtlichen Niederspannungsnetz (230 V oder 110 V) eingespeist werden. An externe Anschlußbuchsen 10 können entweder mehrere elektrische Kleinverbraucher (Systemspannung 6 ± 1V bei einer maximalen Ausgangsleistung von maximal 20 W) oder optionale Adaptermodule zur Erzeugung spezieller Ladekennlinien oder verlustarmer Spannungsumsetzungen angeschlossen werden.
Im Inneren des Gerätegehäuses 2 ist ein interner wartungsfreier Blei-Gel- Akkumulator 11 zur Pufferung der eingespeisten Energie angeordnet. Die Versorgung der Verbraucher kann unabhängig von der momentanen Einspeisung erfolgen. Weiterhin liegt an der Klappseite 5 ein erster Stauraum 12, der die Vorderseite des Geräts 1 nach hinten versetzt und der Wärmepufferung dient. Ein zweiter Stauraum 13 (siehe Fig. 2) liegt an einer an die Scharnierseite 5 anschließenden Seite 14 und dient ebenfalls der Wärmepufferung. Eine frühzeitige Direktbestrahlung der eingebauten Elemente durch die wandernde Sonne ist sicher vermieden. Neben dem internen Blei-Gel-Akku 11 sind Aufnahmeschächte 15, 16 zur Aufnahme unterschiedlicher wiederaufladbarer Akkumulatoren vorgesehen, beispielsweise 2 × Baby oder alternativ 4 × Mignon/Micro (1,5 V Rundzellen, 15) und 1 × Block (9 V, 16, siehe Fig. 2).
In Fig. 2 ist das Energieversorgungsgerät 1 in der Draufsicht mit durchsichtigem Gehäusedeckel 3 dargestellt. Nicht erwähnte Bezugszeichen sind der Fig. 1 zu entnehmen. Im vorderen Geräteabschnitt ist eine zentrale Regelelektronik 17 für Steuerung sowie Ein- und Ausgabe angeordnet. Im hinteren Abschnitt ist der Stauraum 12 erkennbar. Seitlich sind die Aufnahmeschächte 15, 16 angeordnet. Hier ist im Bereich der externen Buchsen 8, 9, 10 eine Leistungseinheit 18 mit einer Anzeige- und Tastereinheit 19 für Betriebsanzeigen und Tastfunktionen als Teil der zentralen Regelelektronik 17 untergebracht.
Die Fig. 3 zeigt ein Prinzipschaltbild für die zentrale Regelelektronik 17. Die Zentrale für die Steuerung von elektronischen Leistungsschaltern 20, 21 (beispielsweise MOSFET), Schaltreglern 22, 23 sowie von verschiedenen Ein- und Ausgabeeinheiten 24a . . . i (mit einer Ansteuereinheit 25) und 26a, 26b wird durch einen integrierten Microprozessor 27 gebildet. Dieser errechnet aus den mittels eines A/D-Wandlers 28 digitalisierten Werten der Akkuspannungen UB für den Betrieb, U1 und U2 für die beiden Aufnahmeschächte 15, 16 den jeweiligen Ladezustand eines internen Blei- Gel-Pufferakkus 11 und extern beispielsweise eingelegter NiCd- oder NiMH- Akkus in den Aufnahmeschächten 15 (1-4 × Rundzellen Typ Micro, Mignon oder Baby) und 16 (1 × 9V-Block).
Die Steuerung der Stromzufuhr zum internen Pufferakku 11 vom Solargenerator 6 bzw. von außen über die externen Buchsen 8, 9 erfolgt über den Leistungsschalter 21 mit einer Ansteuereinheit 29. Die Steuerung der Stromzufuhr zu den externen Akkus erfolgt durch Abschaltung des jeweiligen Schaltreglers 22, 23. Ein Zeitdiagramm hierfür siehe Fig. 4. Zusätzlich ist eine Abschaltung der mit einer Sicherung 30 beschalteten externen Ausgangsbuchse 10 über den Leistungsschalter 20 mit einer Ansteuereinheit 31 implementiert, falls die Spannung UB unter einen Minimalwert sinkt, der einer Tiefentladung des Pufferakkus 11 entsprechen würde. In diesem Fall wird auch der Mikroprozessor 27 in einen Stromsparmodus versetzt; die Rückkehr in den normalen Betriebsmodus bei ausreichender Akkuspannung UB wird dann durch einen über eine Versorgungseinheit 32 ausgelösten Reset-Impuls veranlaßt.
Die Ladestromregelung in den Schaltreglern 22, 23 auf einen jeweils konstanten Wert IL1, IL2 erfolgt über Shuntwiderstände 33, 34. Die Anpassung der Ladekennlinien an die Umgebungstemperatur wird durch Spannungs­ messung über den ND-Wandler 28 an einem temperaturabhängigen Widerstand 35 realisiert. Zur Umschaltung der verschiedenen Spannungsquellen an den A/D-Wandler 28 dient ein CMOS-Multiplexer 36, der über den Microprozessor 27 gesteuert wird.
Die Eingabefunktionen "Discharge" (Entladung) und "On/Off" sind über zwei Taster 26a, 26b realisiert, die Kontrolle des Ladezustands des internen Blei- Gel Akkus 11 sowie der Funktionen "Discharge", "Charge" (Laden) und "Fail" (Fehler) der externen Akkus erfolgt über LED-Anzeigeeinheiten 24a. . .i mit der Ansteuereinheit 25. Weiterhin ist im Schaltbild der externe Moduleingang 8 für den Anschluß eines optionalen zweiten Solarmoduls zur Erweiterung der eingestrahlten Lichtleistung dargestellt.
Der Fig. 4 ist ein Zeitdiagramm für die Ansteuerung der beiden Schaltregler 22, 23 beim Ladevorgang zu entnehmen. Zum Zeitpunkt t0 wird zunächst der Schaltregler 22 in den Ruhezustand versetzt, indem der Ladestrom IL = 0 ist. Nach Ablauf einer Zeitspanne von 1 s hat sich die Akkuspannung U1 stabilisiert und wird mittels des A/D-Wandlers 28 gemessen (t1). Die Aktivierung des Schaltreglers 22 über den Microcontroller 27 erfolgt dann je nach der Berechnung des Ladezustands aus den vorangegangenen Messungen. Der gleiche Vorgang wird, um die Zeitspanne Δt = 1s versetzt, auch auf den Schaltregler 23 angewendet. Der mittlere Ladestrom IL,av ergibt sich aus dem An/Aus-Intervall des bei beiden Schaltreglern 22, 23 elektronisch konstant gehaltenen momentanen Ladestroms IL. IL,av ist dabei auf drei Werte festgelegt:
  • - Anfangsphase (Formation): etwa IL/4
  • - Schnell-Ladebereich: IL
  • - Erhaltungsladung: etwa IL/100
Nach dem Einlegen eines aufzuladenden Akkus erfolgt die Erkennung des jeweiligen Ladezustands nach dem sogenannten Minus-ΔU-Verfahren, bei dem ein auftretender negativer Spannungsgradient von wenigen mV pro Zeitintervall zum Abbruch der Schnell-Ladung führt. Weitere Kriterien, die zum Abbruch des Ladevorgangs führen, sind ein gemessener Spannungswert außerhalb der Grenzen Umin (ca. 0.2 V) und Umax (ca. 1.6 V, temperaturabhängig) sowie ein Nicht-Erreichen des Minus-ΔU-Punktes nach einer Ladezeit von ca. 4 h. Diese Maßnahmen sind erforderlich zur Vermeidung von Schäden an der zentralen Regelelektronik 17 bzw. unnötigem Energieverbrauch bei defekten Akkus.
Eine Entladung der eingelegten Akkus wird mittels des Tasters 26a gestartet und geschieht über die in den Schaltreglern 22, 23 integrierten MOSFET- Leistungsschalter mit einem mittleren Strom von ca. 2.IL bis zur automatischen Abschaltung bei einer gemessenen Minimalspannung von ca. 0,8 V. Anschließend wird der Ladevorgang ebenfalls automatisch aktiviert.
Die Steuerung des Lade- und Entladevorgangs des internen Pufferakkus erfolgt nach den Kriterien:
  • - Ladespannung maximal 6.8 V bei 25°C (temperaturabhängig)
  • - Entladespannung minimal 5 V (Tiefentladung).
Die Anzeige der Betriebszustände
  • - Ladezustand Pufferakku 11 (in 4 Abstufungen)
  • - Akkusektion 15 (Rundzellen 1,2 V) voll
  • - Akkusektion 15 Fehler (gemessene Spannung außerhalb des zulässigen Bereiches)
  • - Akkusektion 16 (Blockzelle 8,4 V) voll
  • - Akkusektion 16 Fehler (gemessene Spannung außerhalb des zulässigen Bereiches)
  • - Entladen Akkusektionen 15 und 16
erfolgt über neun LED's
24
a. . .i, die für einen geringen Stromverbrauch mit An/Aus-Intervallen von ca. 1 : 10 blinken. Der Microcontroller
27
befindet sich ebenfalls zu etwa 90% der Zeit im Stromsparmodus. Der Gesamtstromverbrauch aller Elektronik-Komponenten liegt so bei < 2 mA im Ruhezustand und beträgt damit weniger als 0,1% der Nennkapazität des internen Pufferakkus
11
. Damit ist eine Entladung des internen Pufferakkus
11
bei völliger Dunkelheit erst nach etwa 2 Monaten erreicht, was dann zur automatischen Abschaltung aller internen Komponenten führt. Zusätzlich ist eine Abschaltung der gesamten Elektronik über den Taster
26
b möglich, die beispielsweise bei Lagerung außerhalb der für den Puffer-Akku
11
in Blei- Gel-Ausführung empfohlenen Betriebstemperaturen notwendig ist.
Bezugszeichenliste
1
Energieversorgungsgerät
2
Gerätegehäuse
3
Gehäusedeckel
4
Scharnier
5
Klappseite
6
Solargenerator
7
Einstrahlfläche
8
Moduleingang
9
Netzteileingang
10
Anschlußbuchse
11
interner Blei-Gel-Akkumulator
12
erster Stauraum
13
zweiter Stauraum
14
anschließende Seite
15
erster Aufnahmeschacht
16
zweiter Aufnahmeschacht
17
zentrale Regelelektronik (Steuerung, Ein-/Ausgabe)
18
Leistungseinheit
19
Anzeige- und Tastereinheit
20
erster Leistungsschalter
21
zweiter Leistungsschalter
22
erster Schaltregler
23
zweiter Schaltregler
24
Ausgabeeinheit (LED)
25
Ansteuereinheit
26
Eingabeeinheit (Taster)
27
Mikroprozessor
28
A/D-Wandler
29
erste Ansteuereinheit
30
Sicherung
31
zweite Ansteuereinheit
32
Versorgungseinheit
33
erster Shuntwiderstand
34
zweiter Shuntwiderstand
35
temperaturabhängiger Widerstand
36
CMOS-Multiplexer

Claims (8)

1. Mobiles kombiniertes Energieversorgungsgerät mit wahlweisem Solar- oder Netzstrombetrieb zur Ladung von Akkumulatoren oder zum Betrieb von elektrischen Kleinverbrauchern mit einem externe Anschlußbuchsen aufweisenden Gerätegehäuse mit einem aufklappbaren Gehäusedeckel, unter dem im Gehäuse ein interner Puffer-Akkumulator, eine Lade-/Ent­ ladeeinrichtung und verschiedene Aufnahmeschächte für aufzuladende Akkumulatoren angeordnet sind und der mit dem Solargenerator für den Solarstrombetrieb verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Solargenerator (6) fest in den Gehäusedeckel (3) mit seiner Einstrahlfläche (7) nach außen zeigend eingebaut ist, der Gehäusedeckel (3) variabel arretierbar ist und daß die Lade-/Entladeeinrichtung aus einer einzigen zentralen Regelelektronik (17) besteht, über die mit Hilfe eines integrierten Mikroprozessors (27) alle Regelaufgaben nach dem Prinzip der intelligenten Lade- und Betriebsüberwachung ausführbar sind und die ausschließlich mit der vom internen Puffer-Akkumulator (11) bereitgestellten Betriebsspannung versorgt ist.
2. Mobiles kombiniertes Energieversorgungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Gerätegehäuse (2) an der Klappseite (5) und an einer daran anschließenden Seite (14) jeweils ein leerer Stauraum (12, 13) vorgesehen ist.
3. Mobiles kombiniertes Energieversorgungsgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gerätegehäuse (2) aus weißem Kunststoff besteht.
4. Mobiles kombiniertes Energieversorgungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Solargenerator (6) als erweiterbares Hochleistungs-Solarmodul ausgeführt ist und die Bauelemente der Ladeelektronik (17) auf der Platinenoberfläche montiert sind.
5. Mobiles kombiniertes Energieversorgungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der interne Puffer-Akkumulator (11) als Blei-Gel-Akkumulator oder Lithium- Ionen-Akkumulator ausgeführt ist.
6. Mobiles kombiniertes Energieversorgungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Stromzufuhr zum internen Akkumulator (11) und zum externen anzuschließenden Verbraucher über ansteuerbare elektronische Leistungsschalter (20, 21) und zu den externen wiederaufzuladenden Akkumulatoren über im Zeitmultiplex ansteuerbare Schaltregler (22, 23) erfolgt.
7. Mobiles kombiniertes Energieversorgungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anpassung der Ladekennlinie des jeweiligen aufzuladenden Akkumulators an die herrschende Umgebungstemperatur durch Spannungsmessung an einem temperaturabhängigen Widerstand (35) durchführbar ist.
8. Mobiles kombiniertes Energieversorgungsgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an die externen Anschlußbuchsen (10) zur Versorgung unterschiedlicher Akkumulatoren oder Geräte verschiedene intelligente Adaptermodule zur Erzeugung entweder spezieller Ladekennlinien oder zur verlustarmen Umsetzung der Ausgangsspannung anschließbar sind.
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