DE3338104A1

DE3338104A1 - Portable solar-electric power-supply apparatus for supplying accumulator-operated, rechargeable, mains-independent loads

Info

Publication number: DE3338104A1
Application number: DE19833338104
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr.-Ing. 2000 Hamburg Gohrbandt
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Priority date: 1983-10-20
Filing date: 1983-10-20
Publication date: 1985-05-02

Abstract

A portable solar-electric power-supply apparatus for supplying accumulator-operated, rechargeable, network-independent loads, especially voice radio apparatuses which are used continuously. The power-supply apparatus has an integrated electronic monitoring device which on the one hand determines and displays the charge current and on the other hand determines the voltage of the load which is supplied from the power-supply apparatus, carries out an assessment for dangerous operating states of the load accumulator (that is to say for over or under voltage) and displays said assessment. The displays are preferably implemented by means of optoelectronic devices which are insensitive to vibration, for mobile use of the apparatus.

Description

"tragbares solar-elektrisches Stromversorgungsgerät zur Versorgung"portable solar-electric power supply device

von akkumulatorbetriebenen, wiederaufladbaren, netzunabhängigen Verbrauchern" Die Erfindung betrifft ein tragbares solar-elektrisches Stromversorgungsgerät gemäß dem Oberbegriff von Anspruch t.of battery-operated, rechargeable, network-independent consumers " The invention relates to a portable solar-electric power supply device according to the generic term of claim t.

Es ist allgemein bekannt, ein derartiges Stromversorgungsgerät zur Versorgung von akkumulatorbetriebenen, wiederaufladbaren, netzunabhängigen Verbrauchern heranzuziehen. Als Verbraucher ist beispielsweise ein Sprechfunkgerät zu nennen, das im Dauerbetrieb arbeitet und zur Verlängerung seiner Einsatzbereitschaft im nicht-stationären Einsatz einer Nachladung unterzogen wird. Dabei ist folgendes Problem zu beachten: Das menschliche Auge ist aufgrund der Tatsache, daß es sich "automatisch" in seiner Empfindlichkeit an eine variierende Umgebungshelligkeit anpaßt, nicht in der Lage, die Stärke der solaren Einstrahlung und damit die Höhe des von einem Solargenerator erzeugten Stromes hinreichend genau abzuschätzen. Dies ist jedoch zum schonenden Betrieb geräteinterner Batterien erforderlich, denn sowohl eine Überladung mit zu hohen Strömen (z.B. bei voller Einstrahlung im Sommer) als auch eine Tiefentladung durch den Betrieb des Gerätes mit nahezu entladener Batterie und zu kleinem Nachladestrom durch den Solargenerator (z.B.It is well known to use such a power supply Supply of battery-operated, rechargeable, network-independent consumers to use. An example of a consumer is a two-way radio, that works continuously and to extend its operational readiness in non-stationary use is subjected to reloading. Here is the following Problem to be noted: The human eye is due to the fact that it is "automatically" in its sensitivity to a varying ambient brightness adapts, unable to adjust the strength of the solar radiation and thus the height estimate the electricity generated by a solar generator with sufficient accuracy. this However, it is necessary for the careful operation of internal batteries, because both an overload with excessively high currents (e.g. with full irradiation in summer) as also one Deep discharge through the operation of the device with almost discharged battery and insufficient recharging current through the solar generator (e.g.

bei stark bewölktem Wetter) bedeuten eine dauerhafte Schädigung der genannten Batterie.in very cloudy weather) mean permanent damage to the named battery.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein solar-elektrisches Stromversorgungsgerät zu schaffen, das es dem Anwender ermöglicht, den Betrieb des versorgten Verbrauchers an die momentan herrschenden Verhältnisse dadurch anzupassen, daß es Aufschluß über die Höhe des erzeugten Solargenerator-Stromes und über die Spannungshöhe an dem Akkumulator gibt.The invention is therefore based on the object of a solar-electric To create a power supply device that enables the user to control the operation of the to adapt the supplied consumer to the currently prevailing conditions, that it provides information about the amount of generated solar generator electricity and about the Voltage level on the accumulator there.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.According to the invention, the object is achieved by the characterizing features solved by claim 1.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 11 beschrieben.Refinements of the invention are set out in subclaims 2 to 11 described.

Der besondere Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein vollständiges solar-elektrisches Stromversorgungsgerät entsteht, das den zuverlässigen und schonenden Betrieb akkumulatorbetriebener, netzunabhängiger, elektronischer Verbraucher ermöglicht. Durch minimalen technischen Aufwand und Eigenverbrauch der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung wird ein mechanischer Aufbau mit geringem Flächenbedarf und minimaler Bauhöhe möglich, wodurch der Einbau in das Gehäuse eines flach bauenden trag- und faltbaren Solargenerators erfolgen kann. Die äußeren Abmessungen eines derartigen Solargenerators sowie dessen Gewicht sind vorteilhafterweise kaum größer als die bzw. das eines leistungsmäßig gleich starken handelsüblichen tragbaren Solargenerators.The particular advantage of the invention is that a complete Solar-electric power supply device is created, which is reliable and gentle Operation of battery-operated, network-independent, electronic consumers enabled. Through minimal technical effort and internal consumption of the monitoring device according to the invention a mechanical structure with a small space requirement and minimal height is possible, whereby the installation in the housing of a flat, portable and foldable solar generator can be done. The external dimensions of such a solar generator as well as its Weight are advantageously hardly greater than that or that of a performance-wise equally powerful commercially available portable solar generator.

Weiterhin wird durch die erfindungsgemäß vorgesehene externe Programmierbarkeit der Überwachungseinrichtung zur Einstellung von vorgegebenen Schwellwerten für die Uber- bzw. Unterspannung vorteilhalterweise eine wirtschaftliche Serienfertigung ermöglicht, da eine herstellerseitige Festeinstellung der Schwellwerte aus wirtschaltlichen Gründen infolge der verschiedenartigsten Verbraucher ausgeschlossen ist.Furthermore, the external programmability provided according to the invention the monitoring device for setting predetermined threshold values for the Overvoltage or undervoltage advantageously an economical series production made possible by a manufacturer Fixed setting of the threshold values Excluded for economic reasons due to the wide variety of consumers is.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt.In the drawing, an embodiment according to the invention is shown.

Die Figur zeigt einen aus einem Verbraucher 1, einer aufladbaren Batterie 2, einem Solargenerator 3 und einem niederohmigen Reihenwiderstand 4 zum Solargenerator 3 bestehenden Hauptstromkreis, der durch starke Linien hervorgehoben und an den eine durch dünne Linien dargestellte elektronische Überwachungseinrichtung 19 angeschlossen ist. Der Verbraucher 1 und die Batterie 2 bilden praktisch ein Gerät 21, beispielsweise Funksprechgerät, während der Solargenerator 3, der Reihenwiderstand 4 und die Überwachungseinrichtung 19 zu einem tragbaren Gerät 20 integriert und über die Anschlußklemmen 17 und 18 an das Gerät 21 angeschlossen sind.The figure shows one of a consumer 1, a rechargeable battery 2, a solar generator 3 and a low-resistance series resistor 4 to the solar generator 3 existing main circuit, which is highlighted by strong lines and attached to the an electronic monitoring device 19 shown by thin lines is connected is. The consumer 1 and the battery 2 practically form a device 21, for example Walkie-talkie, while the solar generator 3, the series resistor 4 and the monitoring device 19 integrated into a portable device 20 and via the connection terminals 17 and 18 are connected to the device 21.

Der Solargenerator 3 gibt einen Strom über den Widerstand 4 an das angeschlossene Gerät 21 ab, dessen Höhe primär von der momentan herrschenden Intensität der Sonneneinstrahlung abhängt. Bezogen auf die jeweilige Nennkapazität der im Gerät 21 eingebauten Batterie 2 wird infolge der mindestens im Verhältnis von 10 : 1 (starke Sonneneinstrahlung im Sommer, o.ä. im Verhältnis zu bewölkten Tagen mit geringer Umgebungshelligkeit, o.ä.) schwankenden Stromstärke zeitweise entweder ein zu hoher Strom (Gefahr der Zerstörung der Batterie durch Überladung) oder bei teilentladener Batterie ein zu niedriger Strom (Gefahr der Tiefentladung der Batterie, verbunden mit Umpolung und somit bleibender Schädigung einzelner Batteriezellen bei Betrieb des Gerätes) über den Reihenwiderstand 4 in das Gerät fließen. Der Spannungsabfall an 4 wird bei eingeschaltetem Schalter 16 von dem Integrierten Schaltkreis 5 gemessen und z.B. mittels der LED-Bandskala 6 (hier 5-stufig dargestellt) in bekannter Weise zur Anzeige gebracht.The solar generator 3 outputs a current through the resistor 4 to the connected device 21, the height of which depends primarily on the currently prevailing intensity depends on the amount of sunlight. Based on the respective nominal capacity of the device 21 built-in battery 2 is used in a ratio of at least 10: 1 (strong Sun exposure in summer, or similar in relation to cloudy days with less Ambient brightness, etc.) fluctuating amperage at times either too high Electricity (risk of destruction of the battery through overcharging) or if the battery is partially discharged Battery current too low (risk of deep discharge of the battery, connected with polarity reversal and thus permanent damage to individual battery cells during operation of the device) flow into the device via the series resistor 4. The voltage drop at 4 is measured by the integrated circuit 5 when the switch 16 is switched on and e.g. by means of the LED tape scale 6 (shown here in 5 levels) in a known manner brought to the display.

Die Spannung an den Anschlüssen des Solargenerators 3, die zur Versorgung des Schaltkreises 5 dient, ist um den variablen Spannungsabfall am Widerstand 4 unterschiedlich zur Spannung am zu versorgenden Gerät 21 bzw. dessen eingebauter Batterie 2. Da die Batterie-Spannung jedoch in engen Toleranzen (Bruchteile eines Volts), auf Einhaltung der Grenzen bezüglich Überladung bzw. Tiefentladung überwacht werden muß, um eine Schädigung der Batterie 2 zu vermeiden, erfolgt die Spannungsversorgung des Schaltkreises 7 für die Spannungsmessung hinter dem Reihenwiderstand 4 mit variabler Höhe.The voltage at the connections of the solar generator 3, which is used to supply of the circuit 5 is used by the variable voltage drop across the resistor 4 different from the voltage on the device 21 to be supplied or its built-in Battery 2. Since the battery voltage is within tight tolerances (fractions of a Volts), monitored for compliance with the limits with regard to overcharging and deep discharge must be in order to avoid damage to the battery 2, the voltage supply takes place of the circuit 7 for the voltage measurement behind the series resistor 4 with variable Height.

Der Schaltkreis 7 ist ein Typ mit extern programmierbaren Schaltschwellen für die Ansteuerung der LED 14 (diese leuchtet bei Überschreitung des mittels Stellwiderstand 10 individuell für eine spezielle Batterie und deren vorgegebene maximale Batteriespannung eingestellten Pegels) bzw. für die Ansteuerung der LED 15 (diese leuchtet bei Unterschreitung des mittels Stellwiderstand 11 individuell für die betrachtete Batterie und deren erlaubte minimale Batteriespannung eingestellten en Pegels). Diese Pegeleinstellung kann der Anwender des Stromversorgungsgerätes 20 selbst vornehmen, da sein(tragbares) Gerät eine spezifische, also nicht genormte Batterie mit beim Hersteller des Solargenerators unbekannter Zahl von in Reihe geschalteten Zellen (und somit unbekannter Lage der vorgenannten Spannungspegel) enthält. Beispielsweise können die Schwellen für eine 9-zellige NiCd-Batterie eingestellt werden.The circuit 7 is of the type with externally programmable switching thresholds for the control of the LED 14 (this lights up when the setting resistance is exceeded 10 individually for a special battery and its specified maximum battery voltage set level) or for the control of the LED 15 (this lights up if the value is not reached the by means of variable resistor 11 individually for the battery under consideration and their permitted minimum battery voltage set level). This level setting can be done by the user of the power supply device 20 himself, since his (portable) Device with a specific, i.e. non-standardized battery from the manufacturer of the solar generator unknown number of cells connected in series (and thus unknown position of the aforementioned voltage level). For example, the thresholds for a 9-cell NiCd battery can be set.

Damit die Versorgungsspannung des Schaltkreises 7 nicht gegen die vorgenannten Schwankungen der vom Solargenerator 3 erzeugten Spannungen stabilisiert zu werden braucht (gleichbedeutend mit Leistungsverlusten, da die Stromaufnahme vom Schaltkreis 7 nicht ganz vernachlässigbar ist), sind folgende Maßnahmen vorgesehen: in bekannter Weise wird mittels Zenerdiode 8 und Vorwiderstand 9 für die Stellwiderstände 10 und 11 eine stabilisierte Spannung erzeugt. Die Stromaufnahme an den Eingängen des Schaltkreises 7 für die Stellwiderstände ist äußerst gering, insbesondere, wenn der Schaltkreis 7 ein MOS-Typ ist. Demzufolge kann der Querstrom durch durch die Zenerdiode 8 und den Vorwiderstand 9 unter 1 Milliampere gehalten werden, die Stellwiderstände 10 und 11 sind also sehr hochohmig. Die Messung der Schwankungen der Batteriespannung und somit seiner eigenen Versorgungsspannung kann der Schaltkreis 7 dadurch vornehmen, daß durch Anordnung der Zenerdiode 12 direkt an dieser Spannung eine Potentialverschiebung dieser Schwankungen auf den Meßeingang des Schaltkreises 7 erfolgt. Damit ist gleichzeitig die übliche Bedingung für den Betrieb derartiger Schaltkreise erfüllt, daß die Maximalspannung an den Meßeingängen einige Volt unter der Versorgungsspannung liegen muß.So that the supply voltage of the circuit 7 does not go against the The aforementioned fluctuations in the voltages generated by the solar generator 3 are stabilized needs to be (synonymous with power losses, since the current consumption from circuit 7 is not entirely negligible), the following measures are provided: in a known manner by means of Zener diode 8 and series resistor 9 for the variable resistors 10 and 11 generated a stabilized voltage. The current consumption at the inputs of the circuit 7 for the variable resistors is extremely small, especially when the switching circuit 7 is a MOS type. As a result, the Cross flow kept below 1 milliampere by the zener diode 8 and the series resistor 9 are, the variable resistors 10 and 11 are very high resistance. The measurement of the Fluctuations in the battery voltage and thus its own supply voltage can the circuit 7 make that by arranging the Zener diode 12 directly at this voltage there is a potential shift in these fluctuations to the measuring input of the circuit 7 takes place. This is also the usual condition for the Operation of such circuits ensures that the maximum voltage at the measuring inputs must be a few volts below the supply voltage.

Da auch der Meßeingang äußerst hochohmig ist, kann auch hier der Querstrom durch den Spannungsteiler aus der Zenerdiode 12 und dem Widerstand 13 unter einem Milliampere gehalten werden. Somit ist der Eigenleistungsverbrauch der Überwachungselektronik insgesamt minimiert.Since the measuring input is also extremely high-resistance, the cross-current can also be used here through the voltage divider from the Zener diode 12 and the resistor 13 under one Milliamps are maintained. Thus, the internal power consumption of the monitoring electronics minimized overall.

Falls bei starker Bewölkung ohnehin nur ein kleiner Solargenerator-Strom erzeugt wird, der jedoch zur Nachladung bzw. Stützung der Batterie 2 noch herangezogen werden soll, ist mittels des eingebauten Schalters 16 die gesamte Überwachungseinrichtung 19 abschaltbar, um deren Eigenverbrauch zu Null zu machen. Nur für den Moment, in dem der Anwender einen Überblick über die herrschenden Verhältnisse (Ladestrom, Spannungslage der Batterie) haben möchte, muß die Überwachungseinrichtung eingeschaltet werden.If only a small amount of electricity from the solar generator when it is cloudy anyway is generated, which, however, is still used for recharging or supporting the battery 2 is to be, the entire monitoring device is by means of the built-in switch 16 19 can be switched off in order to reduce their own consumption to zero. Just for the moment, in which gives the user an overview of the prevailing conditions (charging current, Voltage level of the battery), the monitoring device must be switched on will.

Bei Verwendung von LED's als Anzeige-Elemente ist deren optisches Signal in hellem Sonnenlicht bekanntlich schlecht erkennbar. Zur Vermeidung dieses Nachteils wird ein Polarisations-Filter verwendet, das nicht nur den Kontrast erhöht, sondern auch störende Reflexionen bzw. Spiegelungen an den Anzeige-Elementen unterbindet.When using LEDs as display elements, their visual appearance is important Signal is known to be difficult to see in bright sunlight. To avoid this The disadvantage is that a polarization filter is used that not only increases the contrast, but also prevents disturbing reflections or reflections on the display elements.

Der Aufbau der Überwachungselektronik 19 beansprucht aufgrund der geringen Zahl der Bauelemente eine sehr geringe Fläche. Zudem ist die Höhe des Aufbaues (einige Millimeter) so gering, daß die Einrichtung 19 ohne weiteres in das flache Gehäuse eines (klappbaren) Solargenerators 3 eingebaut werden kann. Hierdurch entsteht ein vollständiges solarelektrisches Stromversorgungsgerät 20, dessen äußere Abmessungen fast denen eines einfachen Solargenerators 3 ohne Überwachung der elektrischen Daten entsprechen.The structure of the monitoring electronics 19 claimed due to the small number of components a very small area. In addition, the height of the structure (a few millimeters) so small that the facility 19 without further ado can be installed in the flat housing of a (foldable) solar generator 3. This creates a complete solar-electric power supply device 20, its external dimensions almost those of a simple solar generator 3 without monitoring correspond to the electrical data.

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Claims

PATENT CLAIMS Portable solar-electric power supply to supply battery-operated, rechargeable, network-independent consumers, in particular of radiotelephones which are subject to continuous operation, characterized in that, that the power supply device (20) has an integrated electronic monitoring device (19), which on the one hand determines and displays the charging current and on the other hand determines the voltage of the consumer (1) supplied by the power supply device (20), an assessment of dangerous operating conditions of the consumer accumulator (2) subjects (i.e. to over- or undervoltage) and displays.

2. Power supply device according to claim 1, characterized in that that the displays are made by means of opto-electronic devices (6, 14, 15), those for mobile use of the device, preferably insensitive to vibrations are.

3. Power supply device according to claim 2, characterized by the Use of LED components (6, 14, 15) in conjunction with a contrast-enhancing and at the same time anti-reflection / reflection-reducing «arbigen» polarization filter.

4. Power supply device according to one of claims 1 or 3, characterized characterized that there is no display when the voltage of the accumulator (2) is in the nominal range between overvoltage and undervoltage in order to reduce self-consumption the monitoring device to minimize.

5. Power supply device according to claim 1 or 4, characterized in that that the monitoring device (19) for setting predetermined threshold values for the overvoltage or undervoltage can be programmed externally by the user.

6. Power supply device according to one of claims 1 to 5, characterized characterized in that between the solar generator (3) of the power supply device (20) and an electrical switch (16) is arranged in the monitoring device (19).

7. Power supply device according to one of claims 1 to 6, characterized through the use of an integrated circuit (5) with a downstream LED tape scale (6) to determine and display the charging current and an integrated circuit (7) with two downstream LED components (14, 15) for determination and display of overvoltage or undervoltage values.

8. Power supply device according to claim 7, characterized in that that the overvoltage and undervoltage values can be set by means of variable resistors (10, 11) are.

9. Power supply device according to claim 8, characterized in that that to generate a stabilized voltage for the variable resistors (10, 11) a Zener diode (8) in series with a series resistor (9) is provided.

10. Power supply device according to claim 7, characterized in that that for measuring the supply voltage of the integrated circuit (7) one Zener diode (12) is provided, through their arrangement directly on the supply voltage a potential shift in the fluctuations in the supply voltage on the measuring input of the integrated circuit (7) takes place.

11. Power supply device according to claim 1, characterized in that that the monitoring device (19) is so flat that it naturally enters the Flat housing of a portable solar generator accommodating the solar cells (7) can be mechanically integrated, without its overall height, primarily given by the solar generator (3) to enlarge significantly, making the device (20) small and remains compact.