-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieversorgungseinrichtung, die zum Beispiel mit einem Batterieschrank ausgestattet einen Teil einer Notlichtbeleuchtungsanlage darstellen kann. Die Energieversorgungseinrichtung umfasst neben dem Batterieschrank oder Batteriegestell, meist in einem eigenen – mitunter entfernten – Batterieraum, eine zentrale Überwachungselektronik und eine zentrale Steuerungselektronik. Häufig sind Überwachungselektronik und Steuerungselektronik zu einer Einheit integriert.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft also eine Energieversorgungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Schutzanspruchs.
-
Technischer Hintergrund
-
Energieversorgungseinrichtungen werden in zahlreichen Anwendungsgebieten verwendet, unter anderem als unterbrechungsfreie Spannungsversorgungseinrichtungen, ein ganz besonderer, sicherheitsrelevanter Anwendungsfall ergibt sich aus dem Anwendungsgebiet der zentralisierten Versorgung von Notlichtbeleuchtung.
-
Notlichtbeleuchtungsanlagen sollen in den Zuständen eine ausreichende Beleuchtung eines dem öffentlichen Verkehr zugänglichen Gebäudes sicherstellen, in denen – aus welchem Grund auch immer – die reguläre Netzversorgung, d. h. also die reguläre Wechselspannungsversorgung, z. B. das 230 V-Netz, als gestört gilt. Notlichtbeleuchtungsanlagen haben häufig eine Vorrangschaltung, solange irgendwo noch eine Netzversorgung in dem Beleuchtungssystem der Notlichtbeleuchtungsanlage auffindbar ist, wird die Netzversorgung an die Dauerlichtleuchten oder an die Bereitschaftslichtleuchten weitergeleitet. Greift die Vorrangschaltung nicht mehr sicher auf irgendeine Art von Netzspannung zurück, so muss die Energieversorgung mithilfe der Einrichtung über eine gewisse Zeit, die in Normen wie der in weiten Teilen Europas gültigen EN 50171:2001, insbesondere unter Punkt 3.20 mit z. B. 3 Stunden bzw. 1 Stunde je nach Leistungsbedarf bestimmt sind, sichergestellt sein. Weitere einschlägige Bestimmungen zur Auslegung der Notlichtbeleuchtungsanlagen und insbesondere zur Auslegung der Energiespeicher, die den jeweiligen Notlichtbeleuchtungsplanern, die in den verschiedenen Staaten tätig sind, bekannt sein müssen, lassen sich z. B. der für Deutschland erlassenen Norm DIN VDE 0108 entnehmen. In anderen Staaten sind vergleichbare Normen in Kraft getreten, z. B. die ÖVE-EN 2 für die Republik Österreich. Das bedeutet, dass die Energiespeicher wie Akkumulatoren, Batterien oder Brennstoffzellen eine ausreichende Kapazität zur Verfügung stellen müssen. Häufig werden die Energieversorgungseinrichtungen daher schlichtweg für die Anzahl der anschließbaren Verbraucher der Notlichtbeleuchtungsanlage, wie z. B. Dauerlichtleuchten, Bereitschaftslichtleuchten und Fluchtwegsbeleuchtung, überdimensioniert.
-
Wie Notlichtbeleuchtungsanlagen mit zentralisiert angeordneten Batterien und Akkumulatoren generell funktionieren, lässt sich unter anderem den Beschreibungen der
EP 2 081 415 B1 (Anmelder: RP-Technik e. K.; Anmeldetag: 09.01.2008), der
DE 10 2008 017 533 B3 (Anmelder: RP-Technik e. K.; Anmeldetag: 03.04.2008), der
DE 10 2007 062 957 A1 (Anmelder: RP-Technik e. K.; Anmeldetag: 21.12.2007) und der
AT 506 780 B1 (Anmelder: RP-Technik e. K.; Prioritätstag: 21.12.2007) entnehmen, die durch diese Referenzen als vollinhaltlich in Bezug auf die Beschreibung von vorteilhaften Zentral- und Gruppenbatteriesystemen, von Energieversorgungseinrichtungen und unterbrechungsfreien Stromversorgungssystemen in die vorliegende Beschreibung als inkorporiert gelten. Für solche Anlagen ist die nachfolgend beschriebene Erfindung geeignet.
-
In den Zeiten, in denen von einer ungestörten Netzversorgung ausgegangen werden kann, werden die Energiespeicherpakete wie Akkumulatoren bzw. Sekundärzellenblöcke entweder aufgeladen oder erhalten eine permanente Dauerladung bzw. Erhaltungsladung.
-
Bisherige Lösungsvorschläge
-
Trotz des Vorhaltens von ausreichenden Reserven gibt es bei einzelnen Notlichtbeleuchtungsanlagenkonzeptionen den Wunsch, zusätzlich den Zustand der Energiespeicherpakete grob einschätzen zu können. Hierzu sind bisher schon unterschiedliche Überlegungen vorgestellt worden. Die
DE 198 36 141 C1 (Patentinhaberin: CEAG Sicherheitstechnik GmbH; Anmeldetag: 10.08.1998) schlägt vor, neben einer Mittenanzapfung zusätzlich die Temperatur der Energiespeicher zu überwachen. Von einem ähnlichen Ansatz startend berichtet die
EP 0 980 131 B1 (Patentinhaberin: CEAG Notlichtsysteme GmbH; Prioritätstag: 10.08.1998), dass eine Vergleicherschaltung zusätzlich vorzuhalten ist, sodass über eine Taktung einer Fühlerleitung in Abhängigkeit eines Differenzwertes Überlastungen des Batteriesatzes überwacht werden können. In beiden Patenten wird davon berichtet, dass eine spezielle Fühlerleitung, die vorzugsweise wenigstens zweipolig sein soll, vorhanden sein muss, über die die Messwerte wie Differenzwerte abgeleitet von verschiedenen Spannungen untereinander in getakteter Weise übertragen werden.
-
Weitere Überwachungsschaltungsmöglichkeiten werden in der
US 2009 140 870 A1 (Anmelderin: O2Micro Inc.; Anmeldetag: 12.11.2008) und der
US 2008 129 522 A1 (Anmelderin: O2Micro Inc.; Anmeldetag: 30.11.2007) vorgestellt. Es sollen Messwerte eines Batteriesystems wie ein Spannungswert oder ein Temperaturwert über einen Schwellwertdiskriminator ggf. an einen Hf-Oszillator weitergeleitet werden. Eine Detektionsschaltung kann bei unerwünschten Messwerten dann eine An- oder Abkoppelung des Batteriesystems von den weiterführenden Versorgungsleitungen erzeugen.
-
In der
CN 101 349 738 A (Anmelderin: Univ. Fujian; Prioritätstag: 27.08.2008) werden Überwachungsschaltungen für Batterien mit einem hochauflösenden Analog-Digital-Konverter vorgeschlagen, die über Schalter geführt analoge Signale einlesen können. Hierbei geht es um eine möglichst exakte Erfassung der Messwerte der Batterien. Demgegenüber wird eine primitivere Maßnahme in der
JP 2000 123 883 A (Anmelderin: NGK Insulators LTD et. al.; Anmeldetag: 09.10.1998) vorgestellt, bei der einfach nur auf Voltmeter zurückgegriffen werden soll.
-
Eine komplette Einheit, die für eine Serienschaltung von Batterien eine Ladungs- und Entladungssteuerung und -überwachung übernehmen soll, wird in der
US 2003 175 560 A1 (Erfinder: Hun-June Kim et. al.; Prioritätstag: 18.05.2002) beschrieben. In der dargelegten Schaltung wird ein Anschluss mit fünf verschiedenen Kontakten beschrieben, über die eine Kommunikation mit einem Hostgerät aufgenommen werden kann. Mit den Anschlüssen C, D und S wird der Kommunikationsbus bezeichnet. Zusätzlich gibt es Anschlüsse für die positive und die negative Spannung des Batteriepacks. Es sind daher fünf Kabel zwischen Hostgerät und dem Batteriepack zu verlegen.
-
Die
US 2012 116 699 A1 (Anmelderin: International Business Machines Corporation; Prioritätstag: 09.11.2010) sieht Vorteile einer Überwachung eines größeren Batteriearrays in der kabelungebundenen Übertragung der Messdaten mittels Funk. Zur Analyse einzelner Zellen soll ein spezieller ACU-Chip geschaffen werden, der Strom, Spannung und eine Temperatur einer Einzelzelle messen soll. Falls ein ACU-Chip Messwerte außerhalb eines Spezifikationsrahmens sieht, soll im so angenommenen Fehlerfall die einzelne Zelle kurzgeschlossen werden (siehe Abs. [0034]).
-
Am Markt angeboten wird zudem ein Funk-basiertes System von dem schweizerischen Unternehmen Nextys aus CH-6572 Quartino, das unter der Bezeichnung „Battmaster” vertrieben wird. Dieses kommerziell erhältliche Produkt basiert auf einer Zentraleinheit für das Datensammeln, die über Funk von bis zu 1024 Datenaufnahmeeinheiten empfangene Messdaten über die Spannung, über die Temperatur und über den Innenwiderstand von einzelnen Batterien bis zu fünf Jahre lang mitschreiben kann.
-
In einem Werbekatalog mit der Bezeichnung „BACS” wird eine Batterieüberwachung vorgestellt, die an einem Batteriestrang als zusätzlicher Batteriedeckel auf die Polseite der Batterie aufgesetzt werden kann. Mit solchen Batterieüberwachungen sollen die Batterien eines Batteriestrangs auf dem gleichen Ladeniveau gehalten werden können. Die Batterieüberwachungsmodule lassen sich über gesonderte Adern an einen Computer mit Software anschließen.
-
-
Die
DE 43 06 185 C2 (Patentinhaberin: Leuze electronic GmbH + Co; Anmeldetag: 27.02.1993) widmet sich einem prinzipiellen Schaltungsentwurf für mit Starkstromleitungen ausgestattete, flexible Fertigungssysteme bzw. von Fabrikanlagen, z. B. zur Überwachung und Steuerung von Fließbandanlagen. Ein Teil der Busleitungen soll durch eine berührungslose Übertragungsstrecke für Datenübertragungen ersetzt werden. Die berührungslosen Übertragungsstrecken sind deswegen notwendig, weil die Übertragung zum Datenaustausch zwischen den mobilen Systemen, genauer fahrerlosen Transportfahrzeugen, auf denen eine bestimmte Anzahl von Sensoren und Aktuatoren installiert ist, und einem ortsfest installierten Teilsystem des Feldbussystems, das die Steuereinheit umfassen kann, bestimmt ist. Mit anderen Worten, auf einem sich bewegenden, fahrerlosen, mit einer separaten Stromversorgung ausgestatteten Transportfahrzeug angeordnete Sensoren oder Aktuatoren sollen gem. der
DE 43 06 185 C2 auf optischem Wege an eine ortsfeste Steuereinheit anbindbar sein. Optische Strecken lassen sich in der Regel nur innerhalb eines Sichtbereichs realisieren.
-
Sowohl die
DE 601 28 601 T2 (Patentinhaberin: Eaton Power Quality Corp.; Prioritätstag: 29.03.2000) als auch die
DE 696 29 470 T2 (Patentinhaberin: Amerigon, Inc.; Prioritätstag: 28.06.1995) sind zumindest passagenweise, wenn nicht sogar über viele Absätze hinweg in einem unverständlichen Deutsch verfasst. Werden die den Übersetzungen zugrundeliegenden
EP-Patente EP 1 462 813 B1 (Patentinhaberin: Eaton Power Quality Corporation) und
EP 0 832 391 B1 (Patentinhaberin: Amerigon, Inc.) durchgelesen, so ist zu erkennen, dass weitere Beschreibungen von Batterieüberwachungsschaltungen in den Dokumenten vorzufinden sind. Die
EP 1 462 813 B1 schlägt vor, an einer Mittenanzapfung zwischen zwei Batteriepaketen eine Spannung zu überwachen. Die Batteriepakete sollen modulartig in einem Batterieschrank einsteckbar sein, der als unterbrechungsfreie Stromversorgung nutzbar ist. Ein einziger Mikrokontroller soll an einer so prominenten Stelle wie einer Kopfleiste des Batterieschrankes angeordnet werden, über den ein Display ansteuerbar ist. Das Prinzipschaltbild zeigt eine einzige Analogmessleitung, über die alle Batterien überwachbar sein sollen, indem unter Zuhilfenahme eines Schieberegisters die jeweilige zumessende Batteriemittenanzapfung über einen in die jeweilige Batteriemittenanzapfung eingebauten MOS-FET freigeschaltet wird. Durch den gesamten Batterieschrank hindurch sind also, wie sich z. B. bei systemischen Betrachtung auch aus der
EP 0 980 131 B1 ergibt, gesonderte Fühlerleitungen, die in der einen Patentschrift parallel und in der anderen Patentschrift in Serie verschaltet sind, bis zu der Steuereinheit vorzuhalten. Bei so abgeschlossenen Systemen wie einem modularen Batterieschrank, in dessen Einschubsfächern nur herstellerspezifische Module mit ganz bestimmt angeordneten Steckverbindungen befestigbar sind, trägt das Vorhalten von zusätzlichen Fühlerleitungen vermutlich nur in den Fällen zu einer geringen Anzahl an (Wartungs-)Fehlern bei, die bei der Wartung auf falsch verdrahtete Fühlerleitungen zurückzuführen sind, in denen durch den Typ der Module, die Art der Tauschmöglichkeiten und die proprietären Steckbelegungen sowieso nur ganze Einschubsmodule austauschbar sind, nicht aber auf Batterieniveau Wartungen vorgenommen werden können.
-
Die
EP 0 832 391 B1 beschreibt ein Energiemanagementsystem (EMS), das mit mehreren Batteriecontrolmodulen (BCM) aufzubauen ist, wobei ein Batteriecontrolmodul mit einem Kontroller ausgestattet sein soll. Weiterhin gehört zu dem Energiemanagementsystem eine weitere Controleinheit, die Daten zu und von jedem Batteriecontrolmodul über eine Radiofrequenz übertragen bzw. empfangen können soll. Die hochfrequenten Signale im Bereich von 4,5 MHz für die Datenübertragung werden durch einen Frequenzfilter geschickt, der als Überlagerungsempfänger arbeiten soll, um anschließend von einem FM-Demodulator aufbereitet an einen POCSAG-Decoder weitergeleitet zu werden. Alle Batteriecontrolmodule empfangen also einheitlich und erst durch die Auswertung der im POCSAG-Format vorhandenen Informationen durch alle Kontroller können bis zu sechs unterschiedliche Befehle übertragen werden. Wird folglich ein Befehl von der Controleinheit losgeschickt, so fühlt sich zunächst jeder Kontroller angesprochen. Jeder Kontroller bearbeitet das empfangene POCSAG-Signal und prüft mittels Mustervergleich, ob er tatsächlich adressiert worden ist. Das Ergebnis eines solchen Batterieüberwachungskonzeptes ist, dass sämtliche Kontroller der Batteriecontrolmodule zeitgleich und permanent allesamt die gleiche Arbeit absolvieren.
-
Zielsetzung
-
In Notstromversorgungsanlagen, die insbesondere in Notlichtbeleuchtungsanlagen Verwendung finden, unterliegen die Akkumulatoren bzw. Sekundärzellenblöcke einer regelmäßigen Wartung und einem häufigeren Austausch. Die so genannten Batterieschränke sind häufig mit einer sehr großen Anzahl von Akkumulatoren ausgestattet, z. B. mit jeweils 18 in Reihe verschalteten Akkumulatorenblöcken. Hierbei werden die Akkumulatoren gelegentlich irgendwie von dem Wartungspersonal eingebaut. Das Ergebnis ist teilweise, dass der Betreiber der Sicherheitsbeleuchtungsanlage von gänzlich falschen Ladezuständen, Restlebensdauern und Schädigungen der Akkumulatoren ausgeht, weil nach dem Austausch der Akkumulatoren eine ordnungsgemäße Beschaltung der Akkumulatoren nicht immer gewährleistet ist und eine Abstimmung mit bzw. Umprogrammierung der Überwachungssoftware häufig unterbleibt.
-
In Notstromversorgungsanlagen lassen sich die unterschiedlichsten Batterietypen vorfinden. Insbesondere bei Fremdsystemen ist dem Wartungs- und Reparaturpersonal vor dem ersten Besuch selten bekannt, welche Batterien sie in der aufzusuchenden Notstromversorgungsanlage vorfinden werden. So ist es bekannt, dass es Anlagen mit Sekundärzellenblöcken gibt, die aus Bleibatterien aufgebaut sind. Genauso lassen sich Notstromversorgungsanlagen mit LiFePO4-Akkumulatorenblöcken und mit NiMh-Akkumulatorblöcken aufbauen. Wie allgemein bekannt ist, weichen die Blockspannungen der unterschiedlichen Batterietypen, der Sekundärzellenblöcke, voneinander ab. Auch sind je nach Notstromversorgungsanlage die Notstrom(-Gleich-)spannungen von Anlagentyp zu Anlagentyp unterschiedlich, sie liegen aber untereinander in einem vergleichbaren Spannungsband.
-
Es besteht also ein Wunsch, Energieversorgungseinrichtungen, insbesondere für Notlichtversorgungsanlagen, in ihrer Zuverlässigkeit weiter zu steigern, wobei ein geringer Material- und Installationsaufwand besonders zu begrüßen ist.
-
Erfindungsbeschreibung
-
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Energieversorgungseinrichtung nach Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen lassen sich den abhängigen Ansprüchen entnehmen.
-
Ist die Energieversorgungseinrichtung eine Zentralbatterieanlage oder eine Gruppenbatterieanlage, so umfasst die Energieversorgungseinrichtung eine Primärseite und eine Sekundärseite. An der Primärseite wird in der Regel die Netzspannung eines Energieversorgers angeschlossen. An der Sekundärseite werden Unterverteiler und/oder Verbraucher wie Notlichtlampen angeschlossen. Die Energieversorgungseinrichtung greift auf mehrere elektrochemische Energiespeicherpakete wie Bleiakkumulatoren zurück, die untereinander verbunden sind. Somit bleibt durch Parallel- und/oder Serienschaltung der Energiespeicherpakete wenigstens über eine Mindestzeit eine Energieversorgung (z. B. 1 h oder z. B. sogar 3 h) auf der Sekundärseite bzw. aufgrund der Ladungskapazität der Energiespeicherpakete erhalten, obwohl eine einzelne Zelle oder ein einzelnes Energiespeicherpaket aus der Gruppe von Energiespeicherpaketen, die auch als Array bzw. Batterie-Array bezeichnet werden kann, schon ausgefallen sein könnte. Die Energieversorgungseinrichtung hat in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung neben einem Schrank für Energiespeicherpakete eine weitere Abteilung, in der eine Elektronik wie eine Überwachungselektronik und/oder eine Steuerungselektronik angeordnet ist.
-
Als Teil der Elektronik oder zusätzlich zu dieser ist zum einen eine Überwachungselektronik und zum anderen eine oder mehrere Messelektronik(en) vorgesehen. Jedem einzelnen Energiespeicherpaket, zumindest jedoch einer hohen Zahl von Energiespeicherpaketen, was häufig durch einzelne Sekundärzellenblöcke realisiert ist, ist eine individuelle Messelektronik zugeordnet. Die Messelektronik ist ohne weitergehende Kommunikationsleitungen finalisiert. Die Messelektronik weist keine Zusatzleitungen auf. Die Messelektronik (als Einheit, also insgesamt in Bezug auf ihre Schnittstellen nach außen,) kommt mit zwei oder drei Adern (Plus, Minus und ggf. eine Schirmung wie Erde) aus, nämlich den Adern, die an den Energiespeicherpaketen bzw. an dem Batterie-Array vorhanden sind. Weitere Leitungen oder Adern für die Messsignale der Messelektronik sind nicht zu verdrahten. Der Betriebszustand des Energiespeicherpaketes wird ohne die Verwendung weiterer Leitungen an die zentrale Elektronik der Energieversorgungseinrichtung transferiert. Es kann auch gesagt werden, der Betriebszustand wird zusatzleitungslos von der Messelektronik an die Überwachungselektronik bzw. die Steuerungselektronik weitergereicht.
-
Die Energieversorgungseinrichtung liefert elektrische Energie aus mehreren, untereinander verschalteten Energiespeicherpaketen wie Akkumulatorenpaketen oder Sekundärzellenpaketen. Die Energiespeicherpakete sind in – zumindest teilweise – Serienschaltung verschaltet. Die Energiespeicherpakete stellen eine Gleichspannung, insbesondere an einer Sekundärseite, zur Verfügung. Erkennt die Überwachungselektronik und/oder die Steuerungselektronik einen Fehlerfall, insbesondere an der Sekundärseite oder in dem Bereich der Sekundärseite, so stellt die Notstromversorgungsanlage Strom aus den Energiespeicherpaketen dem Bereich der Sekundärseite zur Verfügung. So kann in einer Ausgestaltung mittels Spannungswächterschaltungen überprüft werden, ob alle Endstromkreise der Sekundärseite mit einer ausreichenden Spannung versorgt sind. Reagiert eine der Spannungswächterschaltungen, so wird eine kontinuierliche Energieversorgung dadurch sichergestellt, dass statt der Netzspannung elektrische Energie aus den Energiespeicherpaketen zur Verfügung gestellt wird. Es ist also vorteilhaft, wenn die Energieversorgungseinrichtung zumindest Eingänge für den Anschluss von Spannungswächterschaltungen aufweist. Eine Notstromversorgungsanlage kann die Versorgung vorrangig zu versorgender Endstromkreise in einer Gebäudeinstallation sicherstellen.
-
Die Energieversorgungseinrichtung ist mit einer Gruppe von Bauteilen und Baueinheiten ausgestattet, die insgesamt eine Batterieüberwachung bilden. Je nach Ausgestaltung kann die Energieversorgungseinrichtung als Zentralbatterieanlage, in einer weiteren Ausgestaltung als ein unterbrechungsfreies Stromversorgungssystem betrieben werden. Als zusätzliches Ausstattungsmerkmal hat die Energieversorgungseinrichtung eine Batterieüberwachung. Mit Hilfe der Batterieüberwachung lassen sich zumindest einige, vorzugsweise alle der Energiespeicherpakete überwachen.
-
Die Energiespeicherpakete sind zu einem Array, vereinfacht auch als Batteriearray zu bezeichnen, zusammengeschlossen. Zu einem Energieleitungsanschluss werden die Energiespeicherpakete elektrisch zusammengeführt. Andere übliche Begriffe für eine solche Konfiguration der Zusammenführung sind die Bezeichnungen „Rail” oder „Powerbar” oder „Stromschiene” für den Energieleitungsanschluss, der zumindest teilweise in der Energieversorgungseinrichtung angeordnet ist bzw. in dieser steckt. Also sind mehrere elektrochemische Energiespeicherpakete miteinander verbunden. Einzelne dieser Energiespeicherpakete stellen den Abschluss in Bezug auf den Pluspol oder in Bezug auf den Minuspol dar. Jedes dieser Energiespeicherpakete hat wenigstens zwei Energieanschlüsse, z. B. in der Form von Polen. Jedes einzelne Energiespeicherpaket ist entweder mit einem weiteren Energiespeicherpaket über einen der beiden Pole verbunden oder es ist zu dem Energieleitungsanschluss durchverbunden. Die Energiespeicherpakete sind unmittelbar von einem zum nächsten, elektrisch benachbart anzusehenden Energiespeicherpaket durchverbunden. Jedes einzelne Energiespeicherpaket kann als einzelne Position in einer Matrix von Energiespeicherpaketen betrachtet werden, was vergleichbar mit einem Array ist. Der Pol des ersten Energiespeicherpaketes führt auf den Pol eines benachbarten Energiespeicherpaketes, wenn das Energiespeicherpaket mit seinem Pol als mittleres Energiespeicherpaket zu betrachten ist. Das erste und das letzte Energiespeicherpaket in einer Reihenschaltung sind jeweils mit einem Pol auf den Energieleitungsanschluss geführt. Es lassen sich eine Vielzahl gleichartiger oder gleich aufgebauter Akkumulatoren zu einem größeren Verbund zusammenfassen.
-
Als Energiespeicherpakete eignen sich elektrochemische Energiewandler. So können Bleiakkumulatoren mit einer erfindungsgemäßen Batterieüberwachung ausgestattet werden. Auch können Akkumulatoren auf Cadmium-Basis wie NiCd-Akkumulatoren mit einer erfindungsgemäßen Batterieüberwachung versehen werden. Es hat sich gezeigt, dass NiMH-Akkumulatoren vergleichbar zu überwachen sind, somit die Batterieüberwachung an einem Array aus NiMH-Akkumulatoren eingesetzt werden kann. Li-Ion-Akkumulatoren, d. h. Lithium-Polymer-Akkumulatoren, Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulatoren (LiCoO2), Lithium-Titanat-Akkumulatoren, Lithium-Luft-Akkumulatoren, Lithium-Mangan-Akkumulatoren, Lithium-Eisenphosphat-Akkumulator (LiFePO4) und Zinn-Schwefel-Lithium-Ionen-Akkumulatoren, können anstelle der zuvor benannten Akkumulatoren zusammen mit einer erfindungsgemäßen Batterieüberwachung verwendet werden. Weiterhin lässt sich die erfindungsgemäße Batterieüberwachung an Natrium-Schwefel-Akkumulatoren, an Nickel-Eisen-Akkumulatoren, an Nickel-Lithium-Akkumulatoren, an Nickel-Wasserstoff-Akkumulatoren, an Nickel-Zink-Akkumulatoren, an Silber-Zink-Akkumulatoren, an STAIR-Zellen, an Vanadium-Redox-Akkumulatoren, an Zink-Brom-Akkumulatoren, an Zink-Luft-Akkumulatoren, an Zellulose-Polypyrrol-Zellen und an Brennstoffzellen, z. B. an Polymerelektrolytmembranbrennstoffzellen, anbringen. Auch können ähnlich funktionierende Energiespeicherpakete mit einer erfindungsgemäßen Batterieüberwachung ausgestattet werden. Die erfindungsgemäße Batterieüberwachung hat ein sehr breites Einsatzgebiet.
-
Die Batterieüberwachung setzt sich aus mehreren einzelnen Bauteilen oder Baugruppen zusammen. Eine Baugruppe ist der Art nach eine Überwachungselektronik. Teil der Überwachungselektronik ist ein Empfänger, der Signale von separiert angeordneten Messelektroniken empfangen kann. Mehrere von der Überwachungselektronik räumlich entfernt angeordnete Messelektroniken dienen zur Überwachung des ihnen jeweils zugeordneten Energiespeicherpaketes. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn jeweils nur eine einzige Messelektronik jeweils zur Messung wenigstens einer Messinformation eines einzigen Energiespeicherpaketes vorhanden ist. Mit anderen Worten, vorteilhaft ist eine unmittelbare Zuordnung einer Messelektronik nur zu einem Energiespeicherpaket. Die Messinformation erteilt Auskunft über den Zustand des Energiespeicherpaketes, z. B. über den Ladungszustand, z. B. über den aktuellen Spannungswert, z. B. über die Betriebstemperatur. Wenn wenigstens zwei Energiespeicherpakete als Teil der Energieversorgungseinrichtung vorhanden sind, ist jeweils eine Messeinrichtung nur einem Energiespeicherpaket zugeordnet, und eine andere Messeinrichtung ist dem zweiten Energiespeicherpaket zugeordnet. Bei mehr als zwei Energiespeicherpaketen in dem Array kann, muss aber nicht jedes Energiespeicherpaket mit einer eigenen Messeinrichtung ausgestattet sein.
-
Zu einer Messelektronik gehören mehrere Baugruppen. So umfasst eine Messelektronik jeweils ihre eigene Messeinrichtung. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Messelektronik mit einem Sender ausgestattet ist. Über den Sender können Daten einer Messung der Messeinrichtung übertragen werden. Auch Schaltungsteile zur Aufbereitung, Stabilisierung oder Anpassung der Spannung von den Polen des Energiespeicherpaketes für die Messelektronik können Teil der Messelektronik sein.
-
Wie zuvor schon festgehalten, ist die Überwachungselektronik mit einem Empfänger ausgestattet. Der Empfänger hat einen Demodulator. Der Empfänger ist unmittelbar an jenen Leitungen, die zu dem Energieleitungsanschluss führen, angeschlossen. Zwischen den, vorzugsweise zwei Leitungen, die an dem Energieleitungsanschluss angeschlossen sind, hängt der Demodulator, der Daten bzw. Signale von den Leitungen aufnehmen kann. Die Leitungen selbst können insbesondere elektrisch aus der Energieversorgungseinrichtung herausführen. Innerhalb der Energieversorgungseinrichtung werden Signale generiert, nämlich von den Messelektroniken, die von dem Demodulator bzw. dem Empfänger der Überwachungselektronik aufgenommen werden. Sind entsprechende Filter in den Leitungen vorhanden, insbesondere elektrisch nachgeschaltet hinter einem Anschlusspunkt für den Empfänger, so bleiben die Signale mit ihrem größten Energieanteil innerhalb der Energieversorgungseinrichtung.
-
Wenn jeweils eine Messeinrichtung nur an jeweils einem Energiespeicherpaket vorhanden ist, kann das Energiespeicherpaket mit einer Messeinrichtung ausgestattet den Monteuren einer Energieversorgungseinrichtung ausgehändigt werden. Zusätzliche Verdrahtungen entfallen. Die Messeinrichtung ist über einen Anschluss elektrisch an dem Energiespeicherpaket angeschlossen. Eine permanente Verdrahtung zwischen Energiespeicherpaket und Messeinrichtung kann hergestellt bleiben. Eine Fehlerursache der falschen Verdrahtung zwischen Energiespeicherpaket und Messeinrichtung ist vermieden.
-
Der Anschluss, an dem eine Messung mittels der Messeinrichtung durchführbar ist, bildet für die jeweilige Messeinrichtung jeweils einen Messpunkt. Jedes Energiespeicherpaket, das eine eigene Messeinrichtung aufweist, hat einen Messpunkt. In einem solchen Energiespeicherpaket ist der Messpunkt vorhanden, an dem z. B. eine elektrische Spannung messbar ist. Zusätzlich oder auch nur alternativ können solche Messpunkte zur Strommessung herangezogen werden. Aus dem Spannungs- und Stromverlauf können Rückschlüsse auf den „Gesundheitszustand” des überwachten Energiespeicherpaketes gezogen werden.
-
Jede Messelektronik sollte ihren eigenen Mikrokontroller aufweisen. Dadurch ist es möglich, die Messelektronik mit einer gewissen Intelligenz auf der einen Seite und mit einer gewissen Individualität auf der anderen Seite auszustatten. Der Mikrokontroller kann als Herz der Messelektronik angesehen werden. Werden Mikrokontroller verwendet, die mit einem Speicher wie einem PROM ausgestattet sind, so kann jede Messelektronik, obwohl sie der Bauart nach identisch zu einer zweiten Messelektronik der Energieversorgungseinrichtung ist, wiederum auf das zu überwachende Energiespeicherpaket individualisiert werden. Die Messelektronik erhält eine eindeutige Zuordnung durch das Programm des Mikrokontrollers, insbesondere durch eine Seriennummer, die dem Mikrokontroller bekannt ist. Als Speicher für die Mikrokontroller können Speicher unterschiedlichster Speichertechnologie verwendet werden. Besonders vorteilhaft sind die zu dieser Gattung der PROMs zählenden Flash-EEPROMs, welche zudem elektrisch löschbar sind, denn in diesen kann auch noch nachträglich ein Programm in verbesserter Weise eingespeichert werden. Besonders vorteilhaft sind also Speicher, die als Flash-EEPROMs ausgestaltet sind. Speicher wie Flash-EEPROMs können derart verwendet werden, dass Speicherinhalte, z. B. Werte in dem Speicher oder Programmcodes in dem Speicher, elektrisch löschbar sind. Befindet sich ein Programm des Mikrokontrollers in einem elektrisch löschbaren Speicher wie einem Flash-EEPROM, so kann das Programm in diesem Speicher nachträglich erneut eingespielt werden, z. B., wenn das Programm in Teilen oder vollständig verbessert worden ist. Der Speicher kann so unterschiedliche Versionen nach und nach beinhalten.
-
Auch kann der Mikrokontroller generelle Steuerungs- und Überwachungsaufgaben für die gesamte Messelektronik übernehmen. Die Sender der Messelektroniken lassen sich z. B. mit Hilfe des jeweiligen Mikrokontrollers steuern. Zu jedem Sender gehört ein Mikrokontroller. Zumindest einer der in der Batterieüberwachung vorhandenen Sender steht unmittelbar mit den Energieleitungen und damit mit dem Energieleitungsanschluss in Verbindung. Die Messelektronik umfasst einen steuerbaren Modulator. Der steuerbare Modulator kann als Teil des Senders angesehen werden. Der Modulator kann seine Informationen, z. B. das Messergebnis, als Signal auf den Energieleitungen aufprägen. Zur Aufprägung ist der Modulator mit dem Energieleitungsanschluss elektrisch verbunden.
-
Zur besseren Anbindung des Modulators an den Energieleitungsanschluss ist eine Einheit vorhanden, durch die ein Aufmodulieren eines Signals auf dem Energieleitungsanschluss ausführbar ist. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Einheit aufgrund ihrer Struktur eine gewisse Entkopplung zwischen Modulator und Energieleitungen sicherstellt. Solche Einheiten können z. B. galvanische Entkopplungsglieder, Spulen, Kondensatoren oder sonstige Filter sein, deren Filtermittenfrequenz auf die Frequenz des aufgeprägten Signals bzw. des aufzuprägenden Signals abgestimmt sind.
-
Das Signal kann sich aus mehreren Teilinformationen zusammensetzen. Das Signal kann z. B. in sich verschiedene Messergebnisse der Messelektronik eingeschlossen haben. Eine von der Messelektronik ermittelte Information lässt sich in das Signal hineinkodieren. Das Signal ist über den Energieleitungsanschluss übertragbar. Der Energieleitungsanschluss hat eine Gleichspannung. Auf dem Energieleitungsanschluss sind auch zusätzliche Spannungsverläufe aufgeprägt, die sich aus dem Signal bilden. Durch den Verlauf des Signals ergibt sich eine Kodierung. In das Signal sind die von der Messelektronik gemessenen Informationen eingebunden. Das Signal überträgt die Informationen, die von der Messelektronik stammen.
-
Der Demodulator, der in dem Empfänger vorhanden ist, also einen Teil der Überwachungselektronik darstellt, ist auf die zu erwartenden Signale abgestimmt. Der Demodulator ist derart gestaltet, dass er einen Empfang der Signale durchführen kann. Die Signale, die auf den Energieleitungen aufmoduliert sind, können von dem Demodulator empfangen und wieder ent-kodiert (bzw. dekodiert) werden.
-
Der Empfänger kann auf die unterschiedlichsten Modulatoren reagieren. Dadurch können die von den verschiedenen Messelektroniken stammenden Informationen empfangen und dekodiert werden. In der einfachsten Ausführung würde ein Empfänger das Signal einer Messelektronik empfangen. Der Empfänger ist aber so gestaltet, dass er mehrere Signale von verschiedenen Messelektroniken empfangen kann. Der Empfänger ist für den Empfang und die Verarbeitung von verschiedenen Messelektroniken ausgelegt, unabhängig davon, ob tatsächlich mehrere Messelektroniken vorhanden sind. Eine freie Skalierbarkeit und eine Modulierbarkeit der tatsächlich verwendeten Energiespeicherpakete lassen sich so erreichen. Unproblematisch können einzelne Energiespeicherpakete gegen artgleiche Energiespeicherpakete mit Messelektroniken ausgetauscht werden. Der Empfänger ist so ausgelegt, dass er mit einer nahezu beliebigen Anzahl Modulierer zusammenarbeiten kann. So können in einer ersten Konfiguration 18 Energiespeicherpakete mit Modulatoren an der Überwachungselektronik angeschlossen sein. Wird eine größere Leistung oder eine längere Notbetriebsdauer gewünscht, können an den gleichen Demodulator 36 Modulatoren oder auch 50 Modulatoren angeschlossen werden. Für kleinere Systeme als 18 Energiespeicherpakete genügen 4 oder 5 Modulatoren.
-
Die zuvor dargelegte Energieversorgungseinrichtung kann mit einem vorteilhaften Betriebsverfahren betrieben werden. Das nachfolgend vorgestellte Betriebsverfahren zeigt darüber hinaus zusätzliche erfinderische Aspekte.
-
Das Betriebsverfahren setzt sich aus einem System mit einer verteilt ablaufenden Bearbeitungsweise zusammen. Die Batterieüberwachungseinrichtung umfasst mehrere Komponenten, die an unterschiedlichen Stellen in der Energieversorgungseinrichtung vorhanden sind. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Energieversorgungseinrichtung so gestaltet ist, wie zuvor beschrieben. Die Batterieüberwachungseinrichtung hat an verschiedenen Stellen in der Energieversorgungseinrichtung Baugruppen. Die Baugruppen übernehmen unterschiedliche, insbesondere softwaremäßig gesteuerte Aufgaben. Mit anderen Worten, es handelt sich um ein verteiltes System, in dem mehrere Mikrokontroller oder Mikroprozessoren vorhanden sein können.
-
Für eine größere Spannung sind wenigstens zwei Energiespeicherpakete in Serie verschaltet. Wird stattdessen ein größerer Strom gewünscht oder soll über einen längeren Zeitraum eine Notstromversorgung sichergestellt werden, so werden zwei Energiespeicherpakete parallel zueinander verschaltet. Wenigstens zwei der Energiespeicherpakete haben jeweils eine Messelektronik. Eine einzige Messelektronik ist nur einem einzigen Energiespeicherpaket zugeordnet. Teil einer Messelektronik ist eine Messeinrichtung. Jede einzelne Messelektronik hat somit jeweils ihre, nur für sie bestimmte Messeinrichtung. Weiterhin ist jeweils in einer Messelektronik ein Sender vorhanden.
-
Ein Sender kann ein von ihm über seinen Modulator zur Verfügung gestelltes Datenpaket aussenden. Der Sender überträgt die Information leitungsgebunden. Als Leitungen werden die Energieleitungen der Energieversorgungseinrichtung verwendet. Die Datenpakete sind zeitlich begrenzt. Ein Datenpaket ist in einer endlichen Zeit, in der Regel innerhalb eines Zeitfensters, das weniger als 100 ms beträgt, aussendbar. Eine Übertragung von Informationen werden leitungsgebunden über (die gleichen) Energieleitungen durch jeden Sender der Batterieüberwachungseinrichtung durchgeführt. Die Sender sind an den Energieleitungen angeschlossen. Die Informationen werden wiederholt in aufeinanderfolgenden, zeitlich begrenzten Datenpaketen ausgesendet.
-
Die Datenrate, mit der die Datenpakete gesendet werden, liegt vorteilhafterweise unterhalb einer Taktrate eines Mikroprozessors, der Teil der Messelektronik ist. In der Messelektronik ist also ein Mikroprozessor integriert. Der Mikroprozessor kann wiederum Teil eines Mikrokontrollers sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Datenrate in Abhängigkeit eines Ladezustands des Energiespeicherpaketes, das der Mikrokontroller überwacht, angepasst wird. Steht mehr Energie zur Verfügung, weil das Energiespeicherpaket nahezu, d. h. z. B. zu wenigstens 80% oder 85%, oder tatsächlich vollständig aufgeladen ist, kann häufiger und auch mehr übertragen werden. Wird die Phase der Vollladung des Energiespeicherpaketes verlassen, so kann die Datenrate abgesenkt werden. Es kann mit längeren Pausen (z. B. im ms-Bereich) zwischen der Übertragung zweier Datenpakete zugewartet werden, was jeweils als Datenübertragungspause bezeichnet werden kann. Eine längere Pause zwischen der Übertragung zweier Datenpakete reduziert die Stromaufnahme des Senders. Die Stromaufnahme der gesamten Messelektronik wird bei Unterschreiten einer Schwellspannung des Energiespeicherpakets, wenn eine Spannung unterhalb der Nominalspannung des Energiespeicherpaketes liegt, abgesenkt.
-
Wenn Phasen erhöhter Belastung für das Energiespeicherpaket durchlaufen werden, z. B. aufgrund von Teilschädigungen, eines Memoryeffekts oder besonders starker Entladungen, kann das Senden von Datenpaketen weiter reduziert werden. In Phasen besonders erhöhter Belastung des Energiespeicherpaketes wie im Fall einer Tiefentladung des Energiespeicherpaketes kann das Senden so weit pausiert werden, dass von einem Aussetzen bzw. einer Unterbrechung der Übertragung gesprochen werden kann. Die Messelektronik trägt somit nicht zur weiteren Entladung bei, die andernfalls das Energiespeicherpaket schädigen würde. Die Messelektronik kann in bestimmten (Betriebs-)Phasen auch nur teilweise abgeschaltet werden. Beispiele hierfür sind: das Abschalten einer optischen Zustandsindikation, das zeitweilige Abschalten von Messwerterfassungseinheiten und/oder das zeitweilige Absenken eines Taktgenerators des Mikroprozessors.
-
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn die Sendespannung, die für die Signalisierung der Datenpakete selbst verwendet wird, unter der halben Nominalspannung liegt. Hieraus resultieren geringere Ströme und somit eine geringere Verlustleistungswärme im Vergleich zur Aufprägung eines Nominalspannungswertes, was letztlich zu einer niedrigeren Betriebstemperatur und in Folge zu einer erhöhten Zuverlässigkeit führt. Die Nominalspannung ergibt sich aus der Verschaltung der Energiespeicherpakete. Werden z. B. drei jeweils mit 12 Volt Nominalspannung ausgestattete Energiespeicherpakete in Reihe verschaltet, so ist die Nominalspannung der Energieversorgungseinrichtung 36 Volt. Beträgt die Sendespannung nur 1/3 der Nominalspannung, so lässt sich die Verlustleistungswärme merklich reduzieren, noch besser ist eine Sendespannung, die 1/5 der Nominalspannung beträgt. Die Sendespannung wird vorteilhafterweise mit einem großen Abstand von dieser Nominalspannung in einem Spannungsband im mV-Bereich betrieben; eine Sendespannung also unter einem Volt. Die Sendespannung ist durch einen Wechselspannungsanteil bestimmt. Die Sendespannung kann auf unterschiedliche Weisen gemessen werden: die Sendespannung kann als Spitzen-Spitzen-Wert in Form einer Differenz zwischen minimaler und maximaler Spannung während des Versendens eines Datenpakets gemessen werden, die Sendespannung kann als Effektivwert durch die Wurzel eines zeitlichen Mittels der quadrierten Abweichung vom Mittelwert gemessen werden.
-
Sowohl die Energieversorgungseinrichtung aufgrund der in ihr vorhandenen Batterieüberwachung wie auch das dazugehörige Betriebsverfahren steigern die Zuverlässigkeit der Energieversorgungseinrichtung. Die Gefahr für Schädigungen und Fehlverdrahtungen ist reduziert.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen lassen sich den nachfolgenden Erklärungen entnehmen, die für sich eigenständige erfinderische Aspekte zeitigen können.
-
Das Signal der Messelektronik lässt sich auf den gleichen Leitungen übertragen, über die die Energie in der Energieversorgungseinrichtung zur Verfügung gestellt wird. Das Auswertesignal der Messelektronik wird vorteilhafterweise in ein Datentelegramm einer Powerline-Kommunikation eingebettet. Die Powerline-Kommunikation arbeitet mit einer Trägerfrequenz. Mit Hilfe der Trägerfrequenz wird auf den Energieversorgungsleitungen das Signal, eine Repräsentation des Datenpakets, von der Messelektronik übertragen. Die Energieleitungen werden als Datenleitungen zur Übertragung innerhalb der Energieversorgungseinrichtung, insbesondere in der Ausgestaltung als Zentralbatterieversorgung, benutzt. Die Übertragung erfolgt zwischen der Messelektronik und der Überwachungselektronik. Hierbei wird vorteilhafterweise eine mittlere Frequenz zur Übertragung gewählt. Z. B. kann eine Übertragung mit einer Trägerfrequenz von ca. 140 kHz oder 150 kHz gewählt werden, bei der Energiespeicherpakete wie Bleiakkumulatoren eine ausreichend hohe Impedanz aufweisen, um das zu übertragende Signal ungehindert auf den Leitungen zu übertragen. In Abhängigkeit des Typs des Energiespeicherpaketes können auch höhere oder niedrigere Frequenzen gewählt werden. Ein brauchbares Frequenzband erstreckt sich von 10 kHz bis in einen dreistelligen MHz-Bereich hinein. So kann eine Trägerfrequenz zwischen 10 kHz und 90 MHz unproblematisch gewählt werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Impedanz des Energiespeicherpaketes bzw. der Energiespeicherpakete berücksichtigt wird. Je höher die Trägerfrequenz liegt, desto ungedämpfter gelangen die Signale durch die Energiespeicherpakete. Als eine günstige Grenzfrequenz hat sich in Laborversuchen gezeigt, dass 140 kHz gewählt werden können. Verständlicherweise ist das Signal mit einer ausreichenden Stärke auszustatten. Z. B. ein Signal mit 100 mV Amplitude lässt sich bei einer Trägerfrequenz von mehr als 200 kHz ungehindert von der Messelektronik zu der Überwachungselektronik bzw. der Steuerungselektronik übertragen. Durch diese Maßnahme reduziert sich der Verkabelungsaufwand bei dem Austausch einzelner, nicht mehr leistungskonformer Energiespeicherpakete. Folglich ist auch die Fehleranfälligkeit im Zusammenhang mit Wartungsvorgängen reduziert.
-
Als eine Art der Signalübertragung bietet sich ein Aufmodulieren einer Wechselspannung an. Die Wechselspannung kann als frequenzmoduliertes Signal auf den Energieversorgungsleitungen aufgeprägt werden. Alternativ können auch amplitudenmodulierte Signale übertragen werden. Einen besonderen Einfluss haben die Stärke des Signals sowie die Frequenz des Signals. Ausreichend starke Signale können schon bei Amplituden von 1 μV festgestellt werden. Liegt die Standardamplitude bei wenigstens 1 mV, so dürfte unter allen regulären Betriebsbedingungen ein Signal erhältlich sein.
-
Die Zuverlässigkeit, insbesondere die Betriebssicherheit der Messelektronik kann gesteigert werden, wenn die Elektronikbauteile der Messelektronik für ein Spannungsniveau ausgelegt sind, die unterhalb der Nominalspannung des Energiespeicherpaketes angesiedelt ist. Beträgt das Spannungsniveau weniger als 100% der Nominalspannung, so kann selbst noch in Fällen der Spannungsreduktion ein zuverlässiger Betrieb sichergestellt werden. Für eine Spannungsanpassung kann eine Spannungsherabsetzungsstufe wie ein Spannungsquerregler vorhanden sein. Die Messelektronik kann mit einer Spannungsherabsetzungsstufe ausgestattet sein. An der Spannungsherabsetzungsstufe kann ein Versorgungsspannungspin des Mikrokontrollers angeschlossen sein. Aus der Spannungsherabsetzungsstufe bezieht der Mikrokontroller der Messelektronik seine Versorgungsspannung. Die Versorgungsspannung lässt sich so zuverlässig über lange Betriebszeiten, selbst wenn schon eine Spannungsreduktion des Energiespeicherpaketes eingesetzt haben sollte, aufrechterhalten.
-
Der Modulator in der Energieversorgungseinrichtung kann einen Übertrager für eine Kommunikationsaufschaltung auf einer der Energieversorgungsleitungen umfassen. Der Übertrager kann als gleichspannungsentkoppelndes Bauteil ausgestaltet sein, z. B. als Spulenübertrager. Eine besonders günstige Bauform des Spulenübertragers ist ein Ferritring um einen Batteriepol, wobei der Ferritring zudem Kern einer Spule ist, die von einem signalabhängigen Strom durchflossen wird. Der Demodulator sollte zu dem Modulator korrespondieren. Der Demodulator kann auch als inversabbildendes Empfangsteil bezeichnet werden. Ein Empfänger gehört zu dem Demodulator. Mit anderen Worten, Empfänger und Demodulator sind Teil der Überwachungselektronik. Durch die Verwendung von wechselspannungsübertragenden Bauteilen wird der Gleichspannungsanteil auf den Energieleitungen nicht in Schaltungsbereiche der Messeinrichtung, noch der Überwachungselektronik eingeleitet. Dies ermöglicht insbesondere die vorteilhafte Betriebsweise der ladungszustandsangepassten Datenrate.
-
Idealerweise ist in der Energieversorgungseinrichtung jeweils ein Modulator zu jedem vorhandenen Energiespeicherpaket zugeordnet. Der Modulator kann an den Energieanschlüssen des Energiespeicherpaketes angeschlossen sein. Die Energieanschlüsse sind häufig als Pole herausgeführt. So kann der Modulator an dem Plus- und an dem Minuspol seines Energiespeicherpaketes angeschlossen sein.
-
Die Energieversorgungseinrichtung hat vorteilhafterweise eine zweite Messeinrichtung, die Teil der ersten Messelektronik ist. Die zweite Messeinrichtung kann an den Energieanschlüssen angeschlossen sein. Mit den Messungen der zweiten Messeinrichtung kann z. B. ein Zustand des Energiespeicherpaketes bestimmbar sein, z. B. die Restladung, die interne Energiespeichertemperatur oder ein Ladungszustand des Energiespeicherpaketes.
-
Bauteile der Messelektronik können Ferritkerne oder Ferritringe sein. In diesem Fall umfasst die Messelektronik also auch Ferritkerne. Die Ferritkerne befinden sich an wenigstens einem der Pole wie Minuspol und Pluspol des Energiespeichers, vorteilhaft sind sie an beiden Polen angeschlossen. Durch die Ferritringe wird die Impedanz des Strompfades über die Energiespeichers für wechselfrequente Ströme erhöht. Mit Hilfe der Ferritkerne bzw. -ringe lässt sich so das Auswertesignal vor den Polen filtern. Die Ferritkerne dienen als Signalfilter. Die Signalübertragungen finden mit ausreichend starken Signalen überwiegend zwischen Messelektronik und Überwachungselektronik statt.
-
Ein größeres Auswertespektrum bzw. die Weiterführung von Messinformationen kann mithilfe von üblichen Kommunikationsschnittstellen, die in der Überwachungselektronik integriert sind, sichergestellt werden. So lässt sich die Überwachungselektronik an ferngesteuerte Rechner anbinden. Als übliche Schnittstellen sind solche Schnittstellen wie eine RS-232- oder eine Ethernet-Schnittstelle anzusehen.
-
Die Überwachungselektronik sollte in einer besonders vorteilhaften Weiterbildung zusätzlich einen Speicher enthalten. In dem Speicher können Daten zu einzelnen Betriebszuständen abgelegt werden. Solche Daten sollten insbesondere Abweichungen von vorbestimmten Betriebsbedingungen sein. Treten Abweichungen auf, so können die Abweichungen vermerkt werden. Das Alterungsverhalten, Ausfallwahrscheinlichkeiten und tatsächlich schon eingetretene Schädigungen lassen sich so im Nachhinein nachvollziehen. Die Daten können als historische Daten vorgehalten werden.
-
Die einwandfreie Funktionstüchtigkeit der Batterieüberwachung kann dadurch angezeigt werden, dass die Messelektronik über wenigstens ein Anzeigeelement verfügt. Über die Anzeigeeinheit kann z. B. signalisiert werden, dass sich das Energiespeicherpaket innerhalb eines Toleranzbereichs der Spannung befindet. Anhand der Häufigkeit des Aufleuchtens einer LED kann z. B. ein Rückschluss auf den Ladungszustand des Energiespeicherpaketes gezogen werden. Zur Signalisierung eines gerade in dem Moment andauernden Messvorganges oder dessen Ergebnis kann die Messelektronik über eine Anzeigeeinheit verfügen, wie z. B. ein zusätzliches LED- oder LCD-Display, anhand der der Betriebszustand numerisch oder alphanumerisch ablesbar ist.
-
Die Spannung des zu messenden Energiespeicherpakets befindet sich z. B. dann innerhalb eines zulässigen Toleranzbereichs, wenn die Spannung sich oberhalb einer Tiefentladungsschwelle bewegt. Wird gleichzeitig zu dem Spannungswert auch ein Temperaturwert für das Energiespeicherpaket ermittelt, so kann der Temperaturwert nach einer Energieflussrichtung unterteilt werden. Der Energiefluss kann dadurch bestimmt werden, ob das Energiespeicherpaket in einer Ladephase oder in einer Endladephase betrieben wird. Liegt die Temperatur während der Endladephase, also die Entladetemperatur zwischen –15°C und +50°C, so kann von einem einwandfreien Betrieb ausgegangen werden. Liegt die Temperatur während der Phase einer Aufladung des Energiespeicherpakets, also die Ladetemperatur zwischen –10°C und +50°C, so kann von einem einwandfreien Betrieb ausgegangen werden. Werden Energiespeicherpakete verwendet, die bei höheren Temperaturen als z. B. Raumtemperatur ein stärkeres Alterungsverhalten aufweisen, kann die obere Schwelle von +50°C natürlich auf +25°C herabgesetzt werden. Eine Tiefentladeschwelle kann abhängig von der Temperatur in einem Bereich von –10 mV/°C/Zelle bis –30 mV/°C/Zelle angesiedelt werden. Mit Anstieg der negativen Schwelle geht die Temperatur entsprechend hoch. Ein maximaler Spannungswert kann z. B. bei 14,8 V angesiedelt werden.
-
Besonders aussagekräftige Signale sind ein Energiespeicherpaketspannungswert und ein Energiespeicherpakettemperaturwert. Als Messergebnis können Signale zu einer Temperatur und Signale zu einer Spannung zur Verfügung gestellt werden. Das Auswertesignal kann aus mehreren Datenpaketen zusammengestellt werden. In einer Ausgestaltung gehen in das Auswertesignal ein Energiespeicherspannungswert und ein Energiespeichertemperaturwert ein. Es lässt sich also ermitteln, auf welchem Spannungswert sich das Energiespeicherpaket befindet. Ungewöhnliche Hitzeentwicklungen, z. B. durch zu hohe oder zu geringe Innenwiderstände einzelner Zweige des Energiespeicherarrays, lassen sich mit dem Energiespeichertemperaturwert erheben. Auch kann eine Säurekonzentration eines Energiespeicherpaketes mittels eines pH-Sensors gemessen werden. Wie eingehender noch weiter unten erklärt, kann das Ansprechen eines Sicherheitsventils eines Energiespeicherpakets abgefragt bzw. gemessen werden. Die Messelektronik ist günstigerweise so gestaltet, dass sie Eingänge für die Messung mehrerer solcher Werte hat.
-
Zur Steigerung der Zuverlässigkeit der Energieversorgungseinheit sollte die Tiefentladung von irgendeinem der Energiespeicherpakete vermieden werden. Der Zustand der Tiefentladung kündigt sich in der Regel an. Eine solche Annäherung an einen Tiefentladungszustand lässt sich z. B. anhand von Spannungen der Energiespeicherpakete ablesen. Unterschreiten z. B. (nominell als) 12 Volt-Bleibatterien (bezeichnete Bleibatterien) eine Spannung von 13,6-Volt, so wird von einer Annäherung an einen Tiefentladungspunkt ausgegangen. Zur Lebensdauerverlängerung können die Module, Komponenten und Bauteilgruppen der Energieversorgungseinheit, die vorteilhafterweise zwar vorhanden sind, aber normungsgemäß nicht erforderlich sind, vorzeitig, bei Unterschreitung eines Grenzwertes, der sich aus den ausgewählten Energiespeicherpaketen ergibt, abgeschaltet werden. Dadurch wird der Gesamtstromverbrauch gesenkt. Werden rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergriffen, kann der Beschädigung vorgebeugt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Datenrate an den Ladezustand angepasst wird. Eine langsamere Übertragung bzw. eine Übertragung mit geringerer Häufigkeit kann in Zuständen geringerer Restladung des Energiespeicherpaketes durch den Mikrokontroller gewählt werden.
-
Die Messelektronik kann ebenfalls mit einem Speicher ausgestattet sein. In einem solchen Speicher, der also unmittelbar an der Messquelle angeordnet ist, können einzelne oder alle Messwerte gespeichert werden. Eine nachträgliche Fehlerfallanalyse, wenn z. B. das Energiespeicherpaket aus einer Energieversorgungseinrichtung entnommen sein sollte, lässt sich anhand der Werte in dem Speicher durchführen. Sollte die Übertragung zwischen Sender und Empfänger schwierig oder einmal gestört sein, so können auch noch zeitversetzt die Daten übertragen werden, wenn ein Speicher vorhanden ist.
-
Für eine zuverlässige Funktion ist es wichtig, Beschädigung der Messelektronik während eines vorherigen Transports, einer vorhergehenden Installation und während des Betriebs zu vermeiden. Das Risiko einer Beschädigung bei Transport und Installation kann durch eine Anordnung der Messelektronik im Gehäuse des Energiespeicherpakets minimiert werden, da dadurch keine Angriffspunkte für eine Krafteinwirkung auf die Messelektronik geboten werden. Eine Beschädigung durch meist saure Elektrolyten eines Energiespeicherpakets wird dabei durch einen Verguss der Messelektronik ausgeschlossen. Hierbei sollte jedem Energiespeicherpaket eine eigene Messelektronik zugeordnet sein, so können zudem Verdrahtungsfehler weiter reduziert werden.
-
Es ist besonders vorteilhaft, wenn der Empfänger mehrere Schaltungskomponenten umfasst. Der Empfänger kann eine Niedervoltschaltung haben, die ein Zeitdiskretisierungsglied und ein Digitalisierungsglied umfasst. Vorzugsweise wird das Signal als gleichspannungsreduziertes Signal dem Digitalisierungsglied dargeboten. Dies erlaubt die Verwendung integrierter Schaltungen. Wenn mehrere Energiespeicherpakete in Serie verschaltet sind, ist das Spannungsniveau in der Energieversorgungseinrichtung ein Vielfaches höher als das Signal, das von dem Empfänger zu verarbeiten ist. Daher wird mithilfe eines Hochpassfilters oder, vorteilhaft, eines Bandpassfilters das Spannungsniveau auf das Niveau der Niedervoltschaltung angepasst. Das Zeitdiskretisierungsglied kann vor dem Digitalisierungsglied als sogenannte Abtast-Halte-Schaltung oder hinter dem Digitalisierungsglied als digitales Latch angeordnet sein. In beiden Fällen lässt es sich aus einer Reihenschaltung von einem MOS-FET und Kondensator realisieren, wobei die Diskretisierung durch einen alternierenden Spannungspegel am Gate des MOS-FETs erfolgt, wobei der Spannungspegel den MOS-FET leiten bzw. sperren lässt. Das Digitalisierungsglied wandelt das Signal so um, dass es in einem digitalen Rechenwerk verarbeitet werden kann. Es kann durch einen AD-Wandler realisiert werden, so dass das Signal mehrstufig erfasst wird.
-
Das Auswertesignal, das Auskunft über den Zustand eines oder mehrerer dezidierter Energiespeicherpakete gibt, umfasst ein Signal, einen Identifikationsmerker oder Identifikator. Über den Identifikationsmerker kann eine Energiespeicheridentifikation erfolgen. Die Energiespeicheridentifikation sollte vorteilhafterweise visuell erfassbar sein wie z. B. durch eine Seriennummer, die auf jedem Energiespeicherpaket gut sichtbar angebracht ist. Somit kann anhand einer Ausgabe des Identifikationsmerkers an eine Anzeigeeinheit im Servicefall ein defektes Energiespeicherpaket leicht anhand der sichtbar angebrachten Seriennummer identifiziert und das Energiespeicherpaket kann dann ausgewechselt werden.
-
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Identifikator den mechanisch-physischen Gegebenheiten im Batterieschrank entspricht. Das bedeutet, die zu übermittelnden Daten, die von der Messelektronik zu der Steuerungselektronik übertragen werden, können in Übereinstimmung mit der räumlichen Anordnung der Energiespeicher aufgelöst werden. Die Energiespeicherpakete werden vorteilhaft in einzelnen Fächern oder auf Fachböden aufgestellt, die ein Teil des Batterieschrankes sind. Die Daten sollten mit einzelnen Fächern des Batterieschrankes korrespondieren, sodass Daten der Energiespeicheridentifikation Informationen über die Speicherkapazität in dem Batterieschrank geben. Entsprechen die aufbereiteten Daten der Reihenfolge der angeordneten Energiespeicherpakete, so ist eine weitere Fehlerursache, nämlich das Verwechseln, welches Energiespeicherpaket tatsächlich zu tauschen ist, aufgrund von abweichender Messdatenaufbereitung zur räumlichen Anordnung, eliminiert. Der Identifikator bzw. die Energiespeicheridentifikation kann zusätzlich in dem Speicher des Mikrokontrollers gehalten werden. Der Mikrokontroller kann eine Routine umfassen, die als ein Bestimmungsglied arbeitet. Mithilfe des Bestimmungsgliedes kann ein Übertragungskanal für den Sender eingestellt werden. Die Bestimmung des Übertragungskanals aus den Daten des Identifikators heraus ermöglicht die Vergabe von jeweils einem eigenen Übertragungskanal für jeden Sender. So kann anhand eines im Mikrokontroller intrinsisch vorhandenen Datums bzw. Datensatzes, worin zum Beispiel eine Serien- oder Produktionsnummer einkodiert ist, einer von grundsätzlich mehreren zur Verfügung stehenden Übertragungskanälen bestimmt werden. Der Mikrokontroller kann eine Datenübertragung auf einem Übertragungskanal festlegen, bei dem keine oder nur eine geringe Beeinflussung durch Daten aus einem anderen Sender, gesteuert von einem anderen Mikrokontroller, auftreten können. Je nach Wert in dem intrinsisch vorhandenem Datum oder Datensatz errechnet sich der Übertragungskanal für den Sender des Mikrokontrollers, der diesen Datensatz aufweist. Besonders sicher wird die Datenübertragung, wenn eine gegenseitige Datenbeeinflussung möglichst weit reduziert wird. Zur Reduktion der Datenbeeinflussung können die Trennböden und die Trennstege der einzelnen Batteriefächer gleichzeitig Schirmungen darstellen, sodass die Batteriefächer gegeneinander und zur Umwelt hin geschirmt sind.
-
Energieversorgungssysteme arbeiten häufig mit Spannungen in einem Spannungsniveau, das oberhalb von 200 Volt liegt, z. B. von 216 Volt. Folglich werden viele Energiespeicherpakete zu einem Array zusammengeschaltet. Vorteilhafterweise sind alle Energiespeicherpakete jeweils mit einer Messelektronik ausgestattet. Um eine Vielzahl von Übertragungskanälen von den Messelektroniken zu dem Empfänger über nur einen Energieleitungsanschluss zu ermöglichen, wird mit Datenübertragungen, ähnlich eines Multiplexverfahrens, gearbeitet. Als Multiplexverfahren stehen sowohl ein Zeitmultiplexverfahren, ein Frequenzmultiplexverfahren, ein Codemultiplexverfahren und Mischformen daraus zur Verfügung. In gemultiplexter Art werden einzelne Datenpakete übertragen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn Übertragungskanäle zur Verfügung stehen, die voneinander beabstandet sind. Die Übertragungskanäle können aufgrund der Trägerfrequenz beabstandet sein. Die Übertragungskanäle können aufgrund einer Zeitverschachtelung beabstandet sein. Der Identifikator kann zudem in die Berechnung des Übertragungskanals bzw. der Bestimmung des Übertragungskanals eingehen. Mit einer Vielzahl beabstandeter Übertragungskanäle ist weder eine separate Vorrichtung zum Multiplexen noch eine zentrale Vorrichtung zur Vergabe der Übertragungskanäle, noch eine senderseitige Kollisionserkennung der Datenübertragung erforderlich, wenn eine besonders einfache elektronische Ausführungsform gewünscht ist. Weiterhin trägt diese Vereinfachung sogar zur Steigerung der Zuverlässigkeit des Gesamtsystems bei, weil aufgrund der reduzierten Komponentenanzahl Störungen, hervorgerufen von einzelnen Komponenten, minimiert werden.
-
Die höherfrequenten Signale, verglichen mit den standardmäßig zur Verfügung stehenden Spannungen für die Energieversorgung, können zu Störungen an oder in dem Mikrokontroller führen. Dies kann dadurch reduziert werden, dass ein Dämpfungselement wie ein Filter vorhanden ist. Das Dämpfungselement lässt zwar Energie an den Mikrokontroller, das Dämpfungselement regelt oder filtert die Signale auf den Energieleitungen so weit weg, dass von einer Dauergleichspannung an dem Mikrokontroller, genauer an den Versorgungsspannungspins des Mikrokontrollers ausgegangen werden kann.
-
In einer ersten Ausgestaltung werden die Informationen über den Zustand der Energiespeicherpakete über die Energieversorgungsleitungen übertragen. In einer weiteren Ausgestaltung werden Informationen zusätzlich von diesen Leitungen leitungsungebunden, also z. B. über Funk oder visuell, d. h. beispielhaft über optische Strecken, übertragen. Mischformen können zusätzlich die Funktionssicherheit steigern.
-
Die Energieversorgungseinrichtung hat idealerweise weiterhin wenigstens eine Ladevorrichtung. Mit der Ladevorrichtung lässt sich der Ladestrom für die Energiespeicherpakete einstellen. In Abhängigkeit des Auswertesignals wird die Ladevorrichtung gesteuert. Vorteilhaft ist es, wenn die Ladevorrichtung zentral in der Energieversorgungseinheit angeordnet ist. Über die Ladevorrichtung wird ein maximaler Ladestrom in einer Ladephase der Energieversorgungseinrichtung eingestellt. Durch den Ladestrom und durch die Ladespannung kann Einfluss auf die Aufladung des Energiespeicherpaketes genommen werden. Die Ladespannung kann z. B. um eine Zellspannung gegenüber der Nennspannung abgesenkt werden, wenn zu erwarten ist, dass eine gewisse Schädigung einzelner Zellen des Energiespeicherpaketes des Arrays eintreten wird oder sogar schon Schädigungen vorliegen könnten. Die Energiespeicherpakete werden nur in dem Maße aufgeladen, wie sie nicht beschädigt werden. Sind Ausfälle zu beobachten, wird die Ladespannung reduziert. Durch die jeweilige Überwachung, vorzugsweise aller Energiespeicherpakete, lässt sich eine erhebliche Abweichung der Spannung oder der Temperatur einzelner Energiespeicherpakete anhand von Schwellwerten, die in der Größenordnung einer Zellspannung bzw. von mehreren Kelvin liegen, feststellen, und es kann aus einer Überschreitung der Schwellwerte eine gegebene Schädigung gefolgert werden.
-
Die Energieversorgungseinrichtung kann als eine zentralisiert angeordnete Batterieanlage eingesetzt werden, die in der Fachwelt auch in Anlehnung an die Normen mit Schlagworten wie CPS-System oder LPS-System bezeichnet wird.
-
Die Sicherheit und Fehlerfreiheit kann noch weiter gesteigert werden, wenn zwischen den Energiespeicherpaketen und den übrigen Komponenten der Energieversorgungseinrichtung kurzschlusssichere Kabel verbaut sind. Als kurzschlusssicher werden solche Kabel bezeichnet, die in Übereinstimmung mit einschlägigen Normenvorgaben entsprechende Kurzschlussströme entweder aufnehmen können oder zumindest keine weitergehenden Schädigungen zulassen. Des Weiteren eignet sich zum Beispiel ein NYM-Kabel, sofern es entsprechend einadrig z. B. nach DIN VDE 0250 – Teil 204 isoliert ist.
-
Die Empfangssicherheit wird darüber hinaus dadurch gesteigert, dass mehrere Überwachungselektroniken in einem Energieversorgungssystem vorhanden sind. So lässt sich eine strangweise Batterieversorgung realisieren.
-
Die Auswertung der Messergebnisse kann durch die Bildung von einem Wert Ud erfolgen. Ud setzt sich aus zwei Spannungswerten zusammen. Einer dieser Spannungswerte ist in einer bevorzugten Ausgestaltung eine Spannung zwischen dem Minuspol und dem Pluspol eines mehrere Energiespeicherpakete umfassenden Energiespeicherstrangs. Der weitere Spannungswert wird als Spannung zwischen einem Mittenabgriff und dem Minuspol gemessen (Us). Überschreitet eine Differenz dieser beiden Spannungssignale einen festgesetzten Threshold-Wert, so wird von einem Fehlerfall ausgegangen. Die Auswertung erfolgt vorteilhaft nicht nur in einer Visualisierungssoftware, sondern in der Steuerungselektronik. Über die Visualisierungssoftware lässt sich ein Abbild der Energiespeicherpakete und deren Zustände anzeigen, z. B. in Tabellenform, als Blockdiagramme oder durch räumlich verteilte Farbskalen, die der räumlichen Anordnung der Energiespeicherpakete entsprechen.
-
Zur weiteren Steigerung der Zuverlässigkeit kann in wenigstens einer der Elektroniken wie z. B. der Überwachungselektronik oder der Steuerungselektronik bzw. in einem Zentralrechner ein Zyklenverlauf und/oder ein Temperaturverlauf archiviert werden. Es wird ein Speicher vorgehalten, der für die Archivierung der Zyklenentwicklung zuständig ist. Ein Zyklus ergibt sich aus der Ladung und Entladung der Energiespeicherpakete, insbesondere feststellbar anhand von Spannungsgradienten. Wenigstens eine Information wird als Zykleninformation abgelegt. Mit Hilfe der Zyklenarchivierung und der Zyklenspeicherung kann auf das Alterungsverhalten des überwachten Energiespeicherpaketes geschlossen werden. Jede Batterie hat eine gewisse Lebensdauer, auf die Temperatureinflüsse und Ladeverfahren einen Einfluss haben. Wird der Ladezustand oder die Zyklenentwicklung zusätzlich optisch angezeigt, so ist eine doppelte Überprüfung möglich. Durch eine optische Signalisierung wie z. B. mit einer LED-Anzeigeneinheit lässt sich ein aktueller Zustand des Energiespeicherpaketes unmittelbar an dem Energiespeicherpaket entnehmen. Das Wartungspersonal hat somit eine Gegenprüfungsmöglichkeit.
-
Beispielhaft soll die Auswirkung durch eine Zyklenführung erklärt werden. Normungsgemäß wird festgelegt, dass in Notlichtbeleuchtungsanlagen des Typs CPS (nach EN 50171) die Batterien Standzeiten von mehr als 10 Jahren überstehen müssen. Als Temperaturgrenze wird jedoch eine Maximaltemperatur von 20°C bestimmt. Die Batterieschränke sind häufig so schlecht durchlüftet, dass die Temperaturen höher liegen. Versuche haben gezeigt, dass sich die Lebensdauer bei einer permanenten Batterieumgebungstemperatur von etwas mehr als 25°C um bis zu 2,5 Jahren bei Zehn-Jahres-Batterien reduziert. Hat der Batterieschrank eine permanente Temperatur von mehr als 40°C, so beträgt die Lebensdauer mancher Batterietypen nur noch gute 3 Jahre. Stellt das Wartungspersonal anhand der Zyklenüberwachung fest, dass eine immer wieder auftretende Temperaturüberschreitung stattfindet, so kann rechtzeitig vor dem Ableben der Energiespeicherpakete mit Gegenmaßnahmen für eine Lebensverlängerung gesorgt werden. Die Datenarchivierung trägt ebenfalls zur Zuverlässigkeitssteigerung bei.
-
Es gibt Energiespeicherpakete wie Sekundärzellenblöcke, die jeweils ein Sicherheitsventil aufweisen. Das Sicherheitsventil soll unerwünschte Zersetzungsgasbildungen in dem Energiespeicherpaket in die Umgebung abgeben können. Dadurch wird ein Überdruck in dem Energiespeicherpaket verhindert. Die Sicherheitsventile lassen sich mit einer elektrischen Zustandserhebung ausstatten. In dem Fall ist zumindest ein Energiespeicherpaket mit einem elektrisch überwachbaren Sicherheitsventil ausgestattet. Über das Sicherheitsventil können Ladungsgase aus dem Energiespeicherpaket nach außen austreten. Als Ladungsgase werden u. a. die Gase bezeichnet, die sich bei einer Überladung eines Akkumulators in diesem bilden. Wird die Zustandserhebung des Sicherheitsventils in einer Prüfschleife eingebunden, kann eine Überwachungselektronik, vorzugsweise die in dem Batterieschrank vorhandene Überwachungselektronik, das Ansprechen eines Sicherheitsventils detektieren. Eine Zustandserhebung bzw. eine Überwachung kann mithilfe einer Reißdrahtschleife erfolgen. Ein Öffnen eines Sicherheitsventils kann elektrisch durch eine Unterbrechung der Reißdrahtschleife festgestellt werden. Über einen Deckel oder eine Abströmöffnung wird die Reißdrahtschleife geführt. Die Reißdrahtschleife liegt somit über einer Ausgangsöffnung des Sicherheitsventils. Das Ansprechen des Sicherheitsventils kann durch die darüberliegende Reißdrahtschleife detektiert werden. Hieraus wird abgeleitet, dass ein schwerwiegender Fehler eingetreten ist.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung kann auch dadurch erzielt werden, dass die Energie, die die Messelektronik benötigt, von dem Empfänger zur Verfügung gestellt wird. Die Energie kann z. B. in Form einer hochfrequenten Spannung über die Energieversorgungsleitungen aufgeprägt an die Messelektronik, insbesondere an die Messeinrichtung gelangen. Ist der Empfänger die Quelle für die zur Verfügung gestellte Energie, so kann die Messelektronik unabhängig von dem Lade- und „Gesundheitszustand” des Energiespeicherpaketes betrieben werden. In einer Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung können besondere Bereiche der Messelektronik mit Energie, die aus dem Empfänger stammt, versorgt werden, während andere Bereiche der Messelektronik Energie bzw. eine Spannung aus dem Energiespeicherpaket beziehen.
-
Mit einem besonders einfach zu installierendem Batteriedatenerfassungssystem wird die Zuverlässigkeit der Notlichtbeleuchtungsanlage gesteigert. Eine Fehlerquelle bei der Wartung oder bei der Reparatur ist ausgeschlossen, wenn nicht noch zusätzliche Messleitungen richtig verdrahtet auf die Steuerungselektronik zu führen sind.
-
Es lassen sich Energieversorgungseinheiten durch die Überwachung der Energiespeicherpakete aufbauen, die sogar ohne kurzschlusssichere Symmetrieanschlussleitungen auskommen. Weil eine blockweise Überwachung möglich ist, kann die vorgestellte Energieversorgungseinheit unmittelbar, d. h. direkt, fehlerhafte Blöcke identifizieren. Wartungspersonal ist nicht mehr gezwungen Fehlerstellen in dem Feld, in dem Array, der Energiespeicherpakete durch mehrere Messungen einzukreisen. Es erübrigt sich, die erhöhte Gefährdung für das Wartungspersonal ausführlich darzustellen, der sich bei fehlender Überwachung der Energiespeicherpakete das Wartungspersonal auszusetzen hat (hohe Spannungen mit sehr viel Ladungsenergie). Stattdessen ist eine Ferndiagnose möglich. Mit entsprechenden Web-Überwachungswerkzeugen kann eine Überwachung aus der Ferne durchgeführt werden.
-
Zur Förderung des Verständnisses sei ein Beispiel der Implementierung vorgestellt, das anhand von konkreten Zahlen die zuvor vorgestellte Lehre in einigen Aspekten eingehender darlegt. Jedem einzelnen Übertragungskanal wird ein Zeitschlitz („time slot”) in einem Zeitmultiplexverfahren zugeordnet. Mit anderen Worten, die Übertragungskanäle sind in einer zeitlichen Betrachtung zeitmultiplex angeordnet. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die einzelnen Sendezeiten im Vergleich zu dem gesamten, durch alle Übertragungskanäle (ggf. zusätzlich mit einer Phase der „Nicht-Übertragung”) beanspruchten Zeitfenster, sozusagen in Summe, als kurz bezeichnet werden kann (z. B. weniger als 10% der Gesamtzeit). Mit diesen Vorgaben kann z. B. die nachfolgend eingehender dargelegte Übertragungsweise umgesetzt werden. So kann eine Schrittgeschwindigkeit von 10 kBd (kiloBaud) gewählt werden. Ein Datenpaket kann sich z. B. aus einer Energiespeicheridentifikation und einem Energiespeichertemperaturwert und einem Wert für eine gemessene Spannung zusammensetzen. Zusätzlich kann zur Steigerung der Übertragungssicherheit eine Prüfsumme, insbesondere eine Prüfsumme mit selbstkorrigierenden Codierungseigenschaften, dem Datenpaket hinzugesetzt werden. In einer günstigen Ausgestaltung kann die Energiespeicheridentifikation 20 Bit lang sein. Es können z. B. 10 Bit für den Energiespeichertemperaturwert vorgesehen werden. Es können z. B. 10 Bit für den Spannungswert vorgesehen werden. Die Prüfsumme kann z. B. 10 Bit lang sein. In Summe beträgt in einem solchen Fall das Datenpaket 50 Bit. Sollen noch genauer aufgelöste Messwerte übertragen werden, so können an Stelle von einer Datenlänge von 10 Bit auch 12 Bit, 15 Bit oder sogar 30 Bit vorgesehen werden. Die Zeitspanne, die für eine Übertragung von einem Datenpaket mit 50 Bit Information bei 10 kBd benötigt wird, beträgt nicht mehr als 5 Millisekunden. Nach einer Übertragung des Datenpakets, also nach der Zeitspanne von 5 Millisekunden, kann eine Datenübertragungspause für dieses Datenpaket eingelegt werden. Soll die Zeitspanne für die Übertragung der Datenpakete bei einer Schrittgeschwindigkeit von 10 kBd verkürzt werden, z. B. nur auf 3 Millisekunden, so kann die Energiespeicheridentifikation verkürzt werden und die Prüfsumme weg gelassen werden.
-
Um die weitere Betrachtung zu vereinfachen, ist überschlägig von einer sich gesamt bildenden Dauer von 10 Millisekunden aus einer Zeitspanne für die Übertragung des Datenpakets und aus einer Länge der Datenübertragungspause auszugehen, was z. B. als Datenratenzeitfenster bezeichnet werden kann. Weiterhin kann eine mittlere Mindestrate festgelegt werden. Die mittlere Mindestrate kann z. B. als die Wiederholrate angesehen werden, mit der von einer Messelektronik über deren Sender nach einem ersten Datenpaket ein zweites Datenpaket übertragen werden soll. Gibt es 18 Messelektroniken, die jeweils einen eigenen Sender haben, sind also insgesamt 18 Sender an den Energieleitungen aufgeschaltet, die in kürzeren Abständen als der mittleren Mindestrate senden sollen, jedoch die Mindestrate auch ausnutzen dürfen und folglich nicht häufiger senden müssen als die Mindestrate, so stehen z. B. 10 Sekunden für das Versenden aller Datenpakete eines Messzyklus, also jeweils eines Datenpakets pro Sender einer Messelektronik, zur Verfügung. Anhand der Mindestrate kann ein Schwellwert in Beziehung zu dieser Mindestrate für den Empfänger bestimmt werden. Wird der Schwellwert z. B. mit 12 festgesetzt, so ergeben sich bei 10 Sekunden für den (zeitlichen) Abstand zwischen einer ersten Übertragung eines Datenpakets von einer ersten Messelektronik und der Übertragung eines zweiten Datenpakets von derselben ersten Messelektronik ein einzuhaltendes Zeitfenster für den Empfänger von 2 Minuten. Der Empfänger kann mit einer Fehlererkennung ausgestattet sein. Die Fehlererkennung kann z. B. eine Programmroutine in einem Mikroprozessor des Empfängers sein. Die Fehlererkennung kann aber auch im Rahmen eines „Watch-Dogs” in eingestellten Abständen, z. B. in Abständen von 2 Minuten, immer wieder neu angestoßen werden. Empfängt der Empfänger von einem Sender innerhalb des eingestellten Abstands kein verwertbares Datenpaket, also ein Datenpaket, das der Empfänger für einen tatsächlichen Messwert hält, z. B. aufgrund eines Fehlers in der Prüfsumme oder aufgrund eines Messwerts außerhalb eines Akzeptanzbereichs für den Messwert, so geht der Empfänger von einer Störung aus. Ist innerhalb des Vielfachen, z. B. des Zwölffachen (Schwellwert entspricht 1/12), der mittleren Mindestrate kein Datenpaket von einer Messelektronik an dem Empfänger angekommen, so stuft der Empfänger das Energiespeicherpaket, von dem ein aktuelles Datenpaket fehlt, weil es nicht innerhalb des Zeitfenster aktualisiert wurde, und dessen Messelektronik als fehlerhaft ein.
-
Es sei zusätzlich gezeigt, dass die vorgestellte Implementierung sehr fehlerunanfällig ist. Theoretisch können Kollisionen bei dem Versuch der Übertragung eines Datenpakets dadurch auftreten, dass zwei Messelektroniken genau zeitgleich ihr jeweiliges Datenpaket losschicken wollen. Die Wahrscheinlichkeit für eine kollisionsfreie Kommunikation aller Datenpakete, wenn 18 Messelektroniken vorhanden sind, liegt bei
-
Erkennt der Empfänger eine Störung, wenn nach 2 Minuten, also nach 12·10 Sekunden immer noch nicht ein vollwertiges, akzeptables oder mit einer Prüfsumme abgesichertes Datenpaket eingetroffen ist, so ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine so gestaltete Energieversorgungseinrichtung, also unter Nutzung eines solchen Betriebsverfahrens, einen Fehlerfall eines Energiespeicherpakets annimmt, obwohl ein Übertragungsproblem auf den Energieversorgungsleitungen gegeben ist, mit
anzugeben. Das bedeutet, ein solcher Fall, dass alle Energiespeicherpakete einwandfrei arbeiten, jedoch eine Kollision auf den Energieleitungen dem Empfänger einen Fehlerfall vorgaukeln, tritt erst alle 35.000 Jahre auf.
-
Ein weiterer interessanter Aspekt liegt darin, dass die vorgestellte Implementierung mit 10 ms für ein Datenratenzeitfenster bei einer Fehlerfallannahme nach frühestens 2 Minuten tatsächlich 12.000 Übertragungskanäle bietet. Zugleich können aber wenigstens 30 Datenpakete pro Messelektronik in dem Empfänger empfangen und ggf. archiviert werden. Werden weitere Frequenzbänder zur Verfügung gestellt, z. B. ein erstes Frequenzband bei 140 kHz und ein zweites Frequenzband bei 200 kHz, oder wird zusätzlich ein Codemultiplexverfahren zur Verfügung gestellt, kann die Anzahl der Übertragungskanäle leicht erhöht werden. Jedoch muss in einem solchen Fall in dem Empfänger noch eine weitere Stufe vorgehalten werden, wodurch z. B. die unterschiedlichen Frequenzbänder abgehört werden.
-
Die vorgestellte Energieversorgungseinrichtung ist nahezu beliebig auf eine Anzahl in einem vierstelligen oder sogar fünfstelligen Bereich vorhandener Energiespeicherpakete, die ein Array bilden sollen, skalierbar.
-
In einer Ausgestaltung reagiert das Betriebsverfahren der Energieversorgungseinrichtung auf ein Absinken eines Energiespeicherpaketes unter eine Nennspannung. Die Nennspannung wird aus Spannungen mehrerer Energiespeicherpakete gebildet. Die Überwachungselektronik berechnet aus den einzelnen Spannungen eine Nennspannung. Weiterhin wird eine Ladevorrichtung betrieben. Idealerweise gibt es mehrere Ladevorrichtungen, jeweils eine pro Strang der Energiespeicherpakete. Zumindest eine Ladevorrichtung arbeitet in Abhängigkeit eines Messwertes bzw. einer Messinformation. Der Messwert bzw. die Messinformation wird an wenigstens einem Energiespeicherpaket erhoben. Die Energiespeicherpakete werden anhand von Messwerten wie einem Spannungswert oder einem Temperaturwert überwacht. Hieraus wird eine Ladungsenergie für die Energiespeicherpakete eingestellt. Die für die Energiespeicherpakete zur Verfügung zu stellende Ladungsenergie wird in Abhängigkeit der Messwerte eingestellt. Bei einer üblichen Betriebsspannung von 216 V im Notbetrieb hat es sich gezeigt, dass als Grenzwert zum Beispiel 12 Volt eine zuverlässige Größe darstellen, die als Threshold-Wert in der Überwachungselektronik einzuprogrammieren ist. Sinkt die Spannung um diesen Threshold-Wert ab, so wird Einfluss auf die Ladevorrichtung genommen.
-
Die vorliegende Erfindung kann noch besser verstanden werden, wenn Bezug auf die beiliegenden Figuren genommen wird, die darüber hinaus zusätzliche eigenständige erfinderische Aspekte zeitigen können, wobei
-
1 eine erste Ausführungsform eines Arrays von Energiespeicherpaketen und einen Empfänger als Teile einer Energieversorgungseinrichtung zeigt,
-
2 eine zweite Ausführungsform eines Arrays von Energiespeicherpaketen, einen Empfänger und eine Ladungselektronik als Teil einer Energieversorgungseinrichtung zeigt,
-
3 in schematischer Darstellung ein Energiespeicherpaket mit einer Messelektronik zeigt,
-
4 in elektronischer schematischer Darstellung eine Messelektronik zeigt,
-
5 in schematischer Darstellung ein Energiespeicherpaket mit Batterieüberwachung zeigt,
-
6 als Blockschaltbild eine Überwachungselektronik und ein Energiespeicherpaket zeigt,
-
7 in Blockdarstellung eine Überwachungselektronik zeigt,
-
8 eine mögliche Manchester-Kodierung zur Übertragung von Messinformationen zeigt,
-
9 einen Zusammenhang zwischen Spannungsverlauf, Datenpaketübertragung und differenziertes Signal in der Batterieüberwachungselektronik zeigt und
-
10 eine Übertragung von Information zeigt, die insbesondere aus verschiedenen Datenpaketen zusammengesetzt ist.
-
1 zeigt eine Energieversorgungseinrichtung 1, die mit einer Batterieüberwachungseinrichtung 50 ausgestattet ist. Jenseits des Energieleitungsanschlusses 2, 2' befindet sich die Überwachungselektronik 4 mit dem Empfänger 5, wozu auch ein Demodulator 17 gehört. Auf der anderen Seite des Energieleitungsanschlusses 2, 2' sind wenigstens zwei Stränge Energiespeicherpakete 3, 3', 3'', 3''' vorhanden, die zum Teil parallel zueinander und zum Teil seriell miteinander verschaltet sind.
-
2 zeigt eine Energieversorgungseinrichtung 100, zu der die Batterieüberwachungseinrichtung 150 gehört.
-
3 zeigt die Anzeigeeinheit 241, angeschlossen an dem Mikrokontroller 208. Der Mikrokontroller 208 hat zwei Messeinrichtungen 209, 209'. Der Mikrokontroller 208 bezieht seine Versorgungsspannung aus dem Festspannungsregler 230, für den z. B. ein IC des Typs LP2950 eingesetzt werden kann.
-
In 3 werden zwei mögliche Endstufen 210a, 210b für einen Sender gezeigt.
-
4 zeigt u. a. das Dämpfungselement 330, zu dem der Kondensator C3 und der Widerstand R1 gehören, sowie ein nachgeschalteter Querregler 330'.
-
8 zeigt die Übertragung von Informationen auf Energieleitungen wie den Energieleitungen 15, 15' (siehe 1) mittels einem Manchester-Code. Wie aus der Signalfolge gegenüber der x-Achse zu entnehmen ist, werden die einzelnen Bits wie „I” oder „O” mit einer Trägerfrequenz übertragen, die im vorliegenden Fall 140 kHz beträgt. Die Wechselspannung pendelt zwischen einem höheren Spannungswert H und einem niedrigeren Spannungswert L.
-
9 zeigt den zeitlichen Verlauf einer Spannung in der Energieversorgungseinrichtung zu unterschiedlichen Zeitpunkten. Die Spannung Ubat, die z. B. an einem Energiespeicherpaket wie dem Energiespeicherpaket 203 (siehe 3) abgenommen werden kann, unterschreitet in einer Phase einen Tiefentladungsschwellwert UTief. In dieser Phase gibt es keine Signalübertragung durch Datenpakete wie den Datenpaketen D1, D2, D3, D4, D5. Die Datenpakete treten nur im Abstand von gewissen Pausen auf, solche Datenübertragungspausen DP dauern so lange an, solange die Spannung Ubat unterhalb des Schwellwertes UTief ist. Die Batterieüberwachung wie die Batterieüberwachungselektronik 4 (siehe 1) arbeitet mit einer Differenzierung. Die einzelnen Datenpakete D1, D2, sofern sie von der gleichen Messelektronik stammen, treten mit einer Mindestrate, Datenrate ρ, auf.
-
10 zeigt, wie Informationen F, die z. B. mit Bitdipolen, in denen unterschiedliche Informationen wie ein Identifikator (z. B. eine Energiespeicheridentifikation), eine Spannung, eine Temperatur oder eine Historie enthalten sind, frequenzmoduliert übertragen werden können. Zu jedem Zeitpunkt können also bis zu 4 Informationen übertragen werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1, 100
- Energieversorgungseinrichtung
- 2, 2'
- Energieleitungsanschluss
- 3, 3', 3'', 3''', 103, 103', 103'', 103''', 103IV, 103V, 203, 403, 503, 703
- Energiespeicherpaket,
- 4, 104, 604
- Überwachungselektronik
- 5, 505
- Empfänger
- 6
- Einheit
- 7, 7', 7'', 7''', 107, 107', 107'', 107''', 107IV, 107V, 207, 707
- Messelektronik
- 8, 8', 8'', 8''', 208, 308, 608
- Mikrokontroller, insbesondere mit einer Mikroprozessoreinheit
- 9, 9', 9'', 9''', 9IV, 9V, 9VI, 9VII, 209, 209'
- Messeinrichtung
- 10, 10', 10'', 10''', 210a, 210b
- Sender
- 11, 11', 11'', 11''', 111, 111', 111'', 111''' 111IV, 111V
- Anschluss
- 12, 12', 12'', 12'''
- Messpunkt
- 13
- Messinformation
- 15, 15, 215
- Leitungen, insbesondere Energieleitungen
- 16, 16', 16'', 16'''
- Modulator
- 17, 517, 617
- Demodulator
- 19
- Signal
- 20
- Trägerfrequenz
- 21
- Amplitude
- 21'
- Standardamplitude
- 22, 422
- Kommunikationsschnittstelle
- 23
- Batterieüberwachung
- 24
- Speicher
- 26, 26', 26'', 26''', 26IV, 26V, 26VI, 26VII
- Energieanschluss
- 27
- Versorgungsspannungsanschluss
- 28
- Spannungsherabsetzungsschaltung
- 29
- Niedervoltschaltung
- 230, 330
- Dämpfungselement, insbesondere als Festspannungsregler
- 330'
- Querregler
- 36, 36'
- Wechselspannung
- 140, 140', 140'', 140''', 140IV, 140V
- Ferritring
- 241
- Anzeigeelement
- 42
- Zeitgeber
- 43, 443
- Zeitdiskretisierungsglied
- 44, 444
- Digitalisierungsglied
- 50, 150
- Batterieüberwachungseinrichtung
- 51
- Zentralbatterieanlage
- 52
- Stromversorgungssystem
- 60
- Inneres
- 61, 761
- Gehäuse
- 70
- Energieversorgungsleitung
- C1, C2, C3, C4
- Kondensator
- R1, R2, R3, R4, R5, R6, R7
- Widerstand
- Q1, Q2, Q3
- Transistor D
- D1, D2, D3, D4, D5
- Datenpaket
- Dp
- Datenübertragungspause
- F
- Datenpakete bzw. Datensignal
- H
- ein hoher Pegel
- L
- ein niedriger Pegel
- I
- ein Bit mit Wert „1” bzw. Phase eines Bits mit der Information „1”
- II
- Phase, insbesondere ohne Informationsübertragung
- O
- ein Bit mit Wert „O” bzw. Phase eines Bits mit der Information „O”
- T
- Temperaturmesswert
- t, t'
- Zeit bzw. Zeitverlauf
- t1, t2, t3
- Zeitpunkt
- tD
- Dauer einer Datenübertragung
- tPhas
- Zeit, in der eine Datenübertragung oder eine Datenübertragungspause auftreten
- U
- Spannung
- Ubat
- Spannung, insbesondere eines Energiespeicherpakets
- Unom
- Spannung, insbesondere nominelle Spannung eines Energiespeicherpakets
- UTief
- Spannung, insbesondere Spannungspegel einer Tiefentladungsschwelle
- ρ
- Datenrate, insbesondere mittlere Datenrate
-
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 2081415 B1 [0005]
- DE 102008017533 B3 [0005]
- DE 102007062957 A1 [0005]
- AT 506780 B1 [0005]
- DE 19836141 C1 [0007]
- EP 0980131 B1 [0007, 0016]
- US 2009140870 A1 [0008]
- US 2008129522 A1 [0008]
- CN 101349738 A [0009]
- JP 2000123883 A [0009]
- US 2003175560 A1 [0010]
- US 2012116699 A1 [0011]
- US 2008094068 A1 [0014]
- EP 2434583 A1 [0014]
- DE 4306185 C2 [0015, 0015]
- DE 60128601 T2 [0016]
- DE 69629470 T2 [0016]
- EP 1462813 B1 [0016, 0016]
- EP 0832391 B1 [0016, 0017]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- EN 50171:2001 [0004]
- Norm DIN VDE 0108 [0004]
- ÖVE-EN 2 [0004]
- DIN VDE 0250 – Teil 204 [0071]
- EN 50171 [0075]
