DE3319511A1 - Battery-aided power supply system I - Google Patents
Battery-aided power supply system IInfo
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Abstract
Description
Titel : Akkumulator-gestütztes Stromversorgungssystem /Title: Accumulator-based power supply system /
Anwendungsgebiet: Die Erfindung betrifft ein Akkumulator gestütztes Stromversorgungssystem, bestehend aus wenigstens zwei Untersystemen mit unterschiedlicher Nennspannung, deren Batterien vorzugsweise von photovoltaischen Wandlern über Sperrdioden geladen werden.Field of application: The invention relates to an accumulator supported Power supply system, consisting of at least two sub-systems with different Nominal voltage, their batteries preferably from photovoltaic converters via blocking diodes Loading.
Zweck: Solche Anordnungen dienen der kontinuierlichen Versorgung von Verbrauchern unterschiedlicher Eingangsspannungen, auf deren zulässige Toleranzen oft die Ausgangsspannungstoleranzen der batteriegestützten Teilsysteme einzustellen sind. Bei manchen Anwendungen, -beispielsweise bei bestimmten statischen Inverter, müssen auch Kombinationen der Teilspannungen dem an das System angeschlossenen Verbraucher zugeführt werden, wobei die entsprechenden Schaltzustände mit Schaltfrequenzen eingestellt werden, die weit in den kHz-Bereich hinein reichen. Wenn das beschriebene System seine ENergie aus photovoltaischen Wandlern bezieht, so gilt für den Entwurf normalerweise als Randbedingung, daß die eingespeiste Energie optimal und möglichst verlustfrei an die Verbraucher zu übertragen ist.Purpose: Such arrangements serve the continuous supply of Consumers of different input voltages, on their permissible tolerances often adjust the output voltage tolerances of the battery-backed subsystems are. In some applications, for example with certain static inverters, combinations of the partial voltages must also be used for the loads connected to the system are supplied, the corresponding switching states being set with switching frequencies that extend far into the kHz range. If the system described gets its energy from photovoltaic converters, this normally applies to the design as a boundary condition that the energy fed in is optimal and as loss-free as possible is to be transferred to the consumer.
Stand der Technik: Es ist bekannt, ein solches System mit mehreren Ausgangsspannungen aus einzelnen Untersystemen aufzubauen, die jeweils aus photovoltaischem Wandler mit Laderegler und Ausgangsregler bestehen, die jedes für sich ihren eigenen Energiehaushalt haben, und die nach Wunsch zusammengeschaltet werden. Die Ladespannung wird dabei durch Längstransistoren oder durch Shunttransistoren begrenzt, die von entsprechenden Regelgliedern angesteuert werden (s. Köthe, H. K.: "Praxis solar- und windelektrischer Energieversorgung", S. 208 bis 2112 VDI-Verlag, 1982).State of the art: It is known to have such a system with several Build up output voltages from individual subsystems, each from photovoltaic There are converters with charge regulator and output regulator, each of which has its own Have energy balance, and which can be interconnected as required. The charging voltage is limited by series transistors or by shunt transistors, which are from corresponding control elements are controlled (see Köthe, H. K .: "Praxis solar- and windelectric energy supply ", pp. 208 to 2112 VDI-Verlag, 1982).
Kritik des Standes der Technik: In jedem Falle wird bei dieser Ladespannungs-Begrenzung elektrische Oberschußenergie, die in einem der Untersysteme auftritt, dort in minderwertigere, normalerweise ungenutzte Wärmeenergie umgesetzt und an die Umgebung abgegeben.Criticism of the state of the art: In any case, this charging voltage limitation electrical surplus energy that occurs in one of the subsystems, there in inferior, normally unused thermal energy is converted and given off to the environment.
Aufgabe: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei der Begrenzung anfallende Oberschußenergie nicht zu dissipieren, sondern einem anderen Untersystem, das entsprechenden Redarf hat, zuzuführen.Task: The invention is based on the task of limiting not to dissipate excess energy, but to another subsystem, the corresponding redarf has to supply.
Lösung; Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Untersysteme nach der Vorschrift mit einander gekoppelt sind, daß Oberschußenergie aus Untersystemen mit höheren Nennspannungen automatisch den Untersystemen mit niedrigeren Nennspannungen zugeführt wird, wobei die schaltungsmäßige Verknüpfung vorzugsweise so erfolgen soll, daß ein kaskadenartiges Oberfließen der Oberschußenergie jeweils zum nächstniedrigeren Untersystem stattfindet.Solution; The object is achieved according to the invention in that the subsystems are coupled with each other according to the rule that excess energy from subsystems with higher nominal voltages automatically the subsystems with lower nominal voltages is supplied, the circuit connection preferably taking place in this way should that a cascade-like overflow of the excess energy to the next lower Subsystem takes place.
In seiner einfachsten Form besteht das Gesamtsystem aus nur zwei Untersystemen und nur in das Untersystem mit der höheren Nennspannung speist ein photovoltaischer Wandler (Solargenerator) ein. Erreicl1t der Akkumulator in diesem "höheren" Untersystem seine Grenz-Ladespannung, so muß an dem solargeneratorseitigen Anschluß der Sperrdiode, die eineStromrücklieferung von der Batterie an den Solargenerator verhindern soll , durch einen Shuntzweig parallel zum Solargenerator das überschüssige Ladestromangebot abgezogen werden. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß der Shuntzweig aus einer Reihenschaltung eines Koppeltransistors, der Sperrdiode und des Akkumulators des Untersystems mit der niedrigeren Nennspannnung sowie einer Koppel di ode zwischen dem Bezugsleiter des "unteren" und des "oberen" Untersystems besteht, und daß der Koppeltransistor von einem Laderegler für den Akkumulator im oberen Untersystem so angesteuert wird, daß der Oberschußstrom dieses Untersystems dem Akkumulator im unteren System zufließt. Erreicht auch dieser Akkumulator seine Grenz-Ladespannung, so erfolgt die Begrenzung durch Ladestromabzug in der gleichen Weise wie für das obere Untersystem beschrieben, jedoch mit dem Unterschied, daß hier im Shuntzweig die Oberschußenergie einem Dissipationswiderstand zu geführt wird. In Sonderfällen kann auch der Dissipationswiderstand überbrückt werden. In its simplest form, the overall system consists of only two Feeds into subsystems and only into the subsystem with the higher nominal voltage photovoltaic converter (solar generator). The accumulator reaches in this "higher" subsystem its limit charging voltage must be on the solar generator side Connection of the blocking diode, which is a power return from the battery to the solar generator is to prevent the excess through a shunt branch parallel to the solar generator Charge current offer can be deducted. This is done according to the invention in that the Shunt branch from a series connection of a coupling transistor, the blocking diode and of the accumulator of the subsystem with the lower nominal voltage and one Coupling diode between the reference conductor of the "lower" and the "upper" subsystem exists, and that the coupling transistor of a charge controller for the accumulator in the upper subsystem is controlled so that the excess current of this subsystem flows into the accumulator in the lower system. If this accumulator also reaches his Limit charging voltage, the limitation is carried out by deducting the charging current in the same Same as described for the upper subsystem, with the difference that here in the shunt branch the excess energy is fed to a dissipation resistor will. In special cases, the dissipation resistance can also be bridged.
unteren Zur Beschleunigung des Ladevorganges des Akkumulators im Untersystem wird in einer Variante des beschriebenen Systems auch diesem Untersystem ein Solargenerator zugeordnet, wobei dessen Auslegung zweckmäßigerweise so erfolgt, daß in der verfügbaren Ladezeit die benötigte Ladeenergie bereitgestellt wird. lower To accelerate the charging process of the accumulator in the In a variant of the system described, this subsystem also becomes this subsystem assigned to a solar generator, whereby its design is expediently carried out in such a way that that the required charging energy is provided in the available charging time.
Besteht das System aus mehr als zwei Untersystemen, so werden in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung die zusätzlichen Untersysteme mit den höheren Nennspannungen oberhalb der beschriebenen Anordnung in der gleichen Weise angeordnet bzw. aufgestockt wie dort das obere Untersystem auf das untere. If the system consists of more than two sub-systems, in Another embodiment of the invention, the additional subsystems with the higher nominal voltages above the arrangement described in the same way arranged or increased like there the upper subsystem on the lower.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Ausgänge der Untersysteme mit Ausgangsreglern, vorzugsweise mit Längsreglern, versehen. Ausgehend von dieser Anordnung erhält man eine Schaltungsvariante-, mit der man eine beliebige Auswahl der Untersysteme mit hoher Schaltfolge in Reihe schalten kann, indem'man die Untersystemausgänge hinter den Längsreglern mit Abschlußdioden abschließt, deren Durchlaßrichtung jeweils vom Bezugsleiter zum Hauptleiterabgang zeigt, und indem man jeden Hauptleiterabgang mit dem Bezugsleiter des nächsthöheren Untersystems verbindet. Kondensatoren, die parallel zu den Abschlußdioden angeschlossen sind, stützen die Ausgänge der Untersysteme bei impulsartiger Beanspruchung. Stellt man bei dieser Variante die Ausgangsspannungen zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Untersystemen so ein, daß sie jeweils im Verhältnis 2 : 1 zueinander stehen, so läßt sich durch binäre Verknüpfung für das Gesamtsystem eine Folge von Ausgangsspannungen darstellen, die als Treppenschritt die Ausgangsspannung des untersten Untersystems aufweist. Die genannte binäre Verknüpfung erfolgt durch entsprechende Ansteuerung der Längstransistoren.In a further embodiment of the invention, the outputs are the Provide subsystems with output regulators, preferably series regulators. Outgoing from this arrangement one obtains a circuit variant with which one can use any one Selection of the subsystems with a high switching sequence can be connected in series by 'man terminates the subsystem outputs behind the series regulators with terminating diodes whose Direction of passage in each case from the reference conductor to the main conductor outlet shows, and by each main conductor exit with the reference conductor of the next higher subsystem connects. Capacitors connected in parallel to the terminating diodes, support the outputs of the subsystems in the event of impulsive loading. If you ask in this variant the output voltages between two consecutive ones Subsystems in such a way that they are each in a ratio of 2: 1 to one another, see above a sequence of output voltages can be established for the entire system by means of a binary link represent the output voltage of the lowest subsystem as a stair step having. The above-mentioned binary link is made by appropriate control the series transistors.
Ausgehend von der Grundanordnung oder auch von den Anordnungen mit mehr als zwei Untersystemen, wobei auch bereits die beschriebenen Ausgangsregler angewendet werden können, erlaubt es eine Variante der Erfindung, auch eine Schaltung darzustellen, bei der alle Bezugsleiter durch Potentialausgleichsleitungen miteinander verbunden sind, d. h. die obengenannten Koppeldioden durch eine leitende Verbindung ersetzt sind.Starting from the basic arrangement or from the arrangements with more than two subsystems, including the output controllers already described can be applied, it allows a variant of the invention, also a circuit to be shown in which all reference conductors are connected to one another by equipotential bonding lines connected, d. H. the above coupling diodes through a conductive connection are replaced.
Natürlich ist bei diesen Varianten der Erfindung mit gemeinsamem Bezugspotential eine Reihenschaltung der Untersystemausgänge ausgeschlossen.Of course, these variants of the invention share a common reference potential a series connection of the subsystem outputs is excluded.
Beschreibung von Ausführungs bei -spielen: In den Abbildungen Fig.l bis 3 sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und funktionsmäßig erläutert. Fig. 1 zeigt die Grundausführung und Fig. 2 ein Diagramm zu deren Arbeitsweise, während Fig. 3 eine Erweiterung der Grundausführung um eine zusätzliche Stufe wiedergibt.Description of execution examples: In the figures Fig.l to 3 embodiments of the invention are shown and explained in terms of function. Fig. 1 shows the basic design and Fig. 2 is a diagram showing how it works. while Fig. 3 shows an expansion of the basic design by an additional stage.
In Fig. 1 weist der Hauptleiter 8 des oberen Untersystems ein höheres Potential gegenüber seinem Bezugsleiter 6 auf, als der Hauptleiter 7 des unteren Untersystems gegenüber seinem Bezugsleiter 5, wenn der photovoltaische Wandler 4 in das obere Untersystem einspeist.In Fig. 1, the main conductor 8 of the upper subsystem has a higher one Potential compared to its reference conductor 6 than the main conductor 7 of the lower one Subsystem with respect to its reference conductor 5 when the photovoltaic converter 4 feeds into the upper subsystem.
Infolgedessen gilt dies auch für den Punkt lOim Vergleich zu dem Punkt 9 der Schaltungsanordnung.As a result, this also applies to the point 10 compared to the point 9 of the circuit arrangement.
Daher fließt ein Strom von Punkt 10 zu Punkt 9, wenn der Koppeltransistor 16 angesteuert wird, wobei der Stromkreis durch die Koppeldiode 14 geschlossen wird, Die genannte Ansteuerung des Koppeltransistors erfolgt durch das Regelglied 18 dann, wenn der über die Sperrdiode 12 in den Akkumulator 2 fließende Ladestrom IB2 die Ladespannung U52 über den Grenzwert Ug, siehe Fig. 2, hinweg ansteigen lassen würde.Therefore, a current flows from point 10 to point 9, if the coupling transistor 16 is controlled, the circuit being closed by the coupling diode 14, The mentioned control of the coupling transistor is carried out by the control element 18, when the charging current IB2 flowing into the accumulator 2 via the blocking diode 12 the Charging voltage U52 above the limit value Ug, see FIG. 2, would let rise away.
Dies kann nämlich dadurch unterbunden werden, daß der Oberschuß 1o - 1B' vom Zeitpunkt tg an von dem Schaltungspunkt 10 aus einem anderen Verbraucher zugeführt wird. Dies ist in der Schaltungsanordnung Fig. 1 der Akkumulator 2, der irgendwann jedoch selbst seine Ladegrenzspannung Ug erreichen wird. Dann muß auch'hier der Oberschußstrom 10 - 1B' von Schaltungspunkt 9 aus einer anderen Verwendung zugeführt werden. Dies veranlaßt das Regelglied 17, das den Dissipationstransistor 15 ansteuert und die Oberschußenergie dem Dissipationswiderstand 13 zuführt. In besonderen Fällen, d.h. wenn der Solargenerator 4 über die Reihenschaltung der Diode 14 und den Transistoren 15 und 16 kurzgeschlossen betrieben werden kann, ist es auch möglich, den Dissipationswiderstand durch einen metallischen Leiter Lu ersetzen.This can namely be prevented by the fact that the excess 1o - 1B 'from the point in time tg on from the switching point 10 from another consumer is fed. In the circuit arrangement of FIG. 1, this is the accumulator 2, the at some point, however, it will even reach its charge limit voltage Ug. Then here too the excess current 10-1B 'supplied from node 9 from another use will. This causes the control element 17, which controls the dissipation transistor 15 and supplies the excess energy to the dissipation resistor 13. In special cases, i.e. when the solar generator 4 is connected via the series connection of the diode 14 and the transistors 15 and 16 can be operated short-circuited, it is also possible to adjust the dissipation resistance replace with a metallic conductor Lu.
In einer weiteren Variante der Erfindung wird auch an das untere Untersystem ein photovoltaischer Wandler 3 angeschlossen, der das Laden des Akkumulators 1 beschleunigt.In a further variant of the invention, the lower subsystem a photovoltaic converter 3 is connected, which accelerates the charging of the accumulator 1.
In der gleichen Weise, wie das obere Untersystem an das untere Untersystem gekoppelt ist, kann auch ein drittes Untersystem mit höherer Nennspannung an das genannte obere Untersystem angekoppelt bzw. auf dieses aufgestockt werden, wie es in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in Fig. 3 dargestellt ist. Hier sind die Komponenten des dritten Untersystems mit dem Index a bezeichnet.In the same way as the upper subsystem to the lower subsystem is coupled, a third subsystem with a higher rated voltage can also be connected to the called upper subsystem coupled or topped up on this, as it is is shown in a further embodiment of the invention in FIG. Here are denotes the components of the third subsystem with the index a.
Wenn die Untersystem-Ausgangsspannungen in ihrer Höhe begrenzt werden sollen, oder wenn die Untersysteme nach Wahl zu Verbrauchern durchgeschaltet werden sollen, dann werden bei der weiteren Ausgestaltung der Erfindung Ausgangsregler, vorzugsweise Längsregler 19, 20, 20a ... so eingesetzt, wie es in den Abbildungen Fig. 1 und Fig. 3 dargestellt ist Führt man in einer weiteren Ausgestaltung die Abschlußdioden 25, 26, 26a ... und die Leiterbrücken 29, 29a ... ein, so bewirkt das Aufsteuern der Längstransistoren 23, 24, 24a ... , daß die betreffenden Untersystem-Ausgangsspannungen in Reihe geschaltet werden und die Systemausgangsspannung UA ergeben.When the subsystem output voltages are limited in height should, or if the sub-systems are switched through to consumers of your choice should, then in the further embodiment of the invention, output regulators, preferably series regulator 19, 20, 20a ... used as shown in the figures Fig. 1 and Fig. 3 is shown One leads in a further refinement the terminating diodes 25, 26, 26a ... and the conductor bridges 29, 29a ... a, so causes the activation of the series transistors 23, 24, 24a ... that the relevant subsystem output voltages connected in series and result in the system output voltage UA.
Die Kondensatoren 27, 28, 28a,... stützen die Ausgangsspannungen Ul, U2, U2a, ... bei impulsförmiger Beanspruchung.The capacitors 27, 28, 28a, ... support the output voltages Ul, U2, U2a, ... with pulsed loading.
Entfernt man.die Brücken 29, 29a, ... und die Abschlußdioden 25, 26, 26a, ..., und überbrückt man die Koppeldioden 14, 14a, ... leitend, so erhält man als weitere Variante der Erfindung Systeme, bei denen all Hauptleiter ein gemeinsames Bezugspotential haben.If you remove the bridges 29, 29a, ... and the terminating diodes 25, 26, 26a, ..., and if the coupling diodes 14, 14a, ... are bridged, then one obtains as a further variant of the invention systems in which all main conductors have a common Have reference potential.
L e e r s e i t eL e r s e i t e
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ID=6200199
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DE19833319511 Granted DE3319511A1 (en) | 1983-05-28 | 1983-05-28 | Battery-aided power supply system I |
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