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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zur
Verwaltung eines als eine Reserve für eine Wechselstromquelle genutzten
Batteriesatzes. Die Erfindung gilt insbesondere für verteilte
Telekommunikationssysteme und ermöglicht die Kontrolle, Bestimmung
und Verwaltung der nutzbaren Kapazität und des Zustands einer Reservebatteriestromquelle
einer oder mehrerer der Verbindungen in einem Telekommunikationssystem
aus der Ferne.
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Die
Erfindung kann in Verbindung mit jeglicher Vorrichtung oder jeglichem
Netzwerk von Vorrichtungen verwendet werden, die/das batteriebetrieben
ist oder die/das einen Batteriesatz als eine alternative oder Reservestromquelle
verwendet, wie beispielsweise Telekommunikationsrelaisstellen, faseroptische
Stellen, Rechner, Telekommunikations- oder Zentralbatterien, Telefonschalteinrichtungen
und tragbare Prüfgeräte.
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Andere
potenzielle Anwendungen schließen
Bahnübergangs-
und -weichensysteme, in Mobiltelefonen, Rechnern, Camcordern oder
Elektrofahrzeugen verwendete Batteriesätze für mobile elektronische Geräte ein.
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Derzeit
gibt es kein gänzlich
zuverlässiges
und genaues Mittel zur Bestimmung der nutzbaren Kapazität von Batterien,
zum Beispiel denjenigen, die als Reserve für eine Primärwechselstromquelle für ein Instrument
oder eine Vorrichtung verwendet werden, welches/welche fern angeordnet
ist. Für
den Fall eines Wechselstromausfalls ist es von wesentlicher Bedeutung,
dass der Gleichstrombatteriereservestrom effizient und mit der erforderlichen
Kapazität
arbeitet. Bisher gab es kein praktikables Verfahren, eine fern angeordnete
Reservebatterie einer Lastprüfung
zu unterziehen. Herkömmliche
Vorrichtungen messen Spannung, Impedanz, elektrolytspezifische Dichte
oder andere Batterieeigenschaften, bieten dem Benutzer jedoch keine
direkten Informationen hinsichtlich der Zeitdauer, während der
Batterie unter Last arbeitet.
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Das
Alber et al. erteilte US-Patent 4,707,795 ist eines der Patente,
das den Stand der Technik darstellt. Alber et al. stellt ein Batterie-
und Kontrollsystem bereit, das speziell dafür bestimmt ist, die Batteriegesamtspannung,
die Zustände einzelner
Zellen oder Zellengruppen, wie beispielsweise Spannung, Strom und
Temperatur, sowie die Ausfälle
einzelner Zellen oder Zellengruppen fortlaufend zu kontrollieren.
Dieses System ist außerdem
dafür entworfen,
Leitungswegausfälle
und andere Zustände
fortlaufend zu kontrollieren. Das System ist eine tragbare oder
dauerhaft installierte Einheit, an die ein Programmier-/Anzeige-/Druckergerät anschließbar ist,
das es ermöglicht,
die Kontrolleinrichtung wie gewünscht
mit verschiedenen Ausfallbedingungen zu programmieren. Dieses Gerät ermöglicht es
außerdem,
eine dauerhafte Aufzeichnung jedes Prüfvorgangs auszudrucken. Weiterhin
können
tragbare Lasteinheiten mit der Kontrolleinrichtung und der Batterie oder
den Batterien, die aktuell geprüft
und kontrolliert werden, verbunden werden, um die Prüfung und/oder Kontrolle
einer derartigen Batterie oder derartiger Batterien unter kontrollierten
Lastbedingungen zu ermöglichen.
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Das
LaForge erteilte US-Patent 5,153,496 stellt ebenfalls den Stand
der Technik dar. Dieses Patent offenbart eine Zellenkontroll- und –steuerschaltung
für eine
Mehrzellenbatterie. Die Schaltung umfasst einen an die Zellen der
Batterie angeschlossenen Zellenzugriffsschalter zum elektronischen
Zugreifen auf einzelne Zellen der Batterie. Die Schaltung schließt außerdem eine
an den Zellenzugriffsschalter angeschlossene Kontroll- und Steuerschaltung
zur elektronischen Kommunikation mit den Zellen ein. Die Schaltung
ist zur Bereitstellung elektrischer Leistung an die Batterie angeschlossen
und zieht der Batterie nur eine unwesentliche Menge an Strom ab.
Die Schaltung fühlt
den Spannungszustand jeder Zelle ab und steuert das Laden jeder Zelle
und stellt Entladungsende- und Ladungsende-Signale bereit.
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Das
Andrieu et al. erteilte US-Patent 5,543,245 stellt ebenfalls den
Stand der Technik dar. Dieses Patent offenbart ein System zur Kontrolle
der Alterung einer Batterie, welche mehrere in Reihe geschaltete
Zellen umfasst und in der Lage ist, vollständig entladen zu werden. Das
System umfasst mehrere Entlader welche die jeweils zuvor geladenen
Zellen auf einen Entladungsende-Wert entladen. Die Menge der von
mindestens einer entladenen Zelle zugeführten Elektrizität wird verarbeitet,
um eine übermäßige Alterung
der Batterie festzustellen. Eine übermäßige Alterung der Batterie
führt zu
einer Restkapazität,
die weniger als einen Bruchteil der Nennkapazität der Batterie beträgt.
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Keine
der oben erörterten
Entgegenhaltungen lehrt jedoch, den Entladungsstrom und/oder den
Ladungsstrom der Batteriezelle oder des Batteriemoduls zu messen,
zum Beispiel, um die nutzbare Kapazität der jeweiligen Zelle oder
des jeweiligen Moduls zu berechnen. Dies kann zu stark schädigenden
Zuständen
in der entladenen Zelle oder dem entladenen Modul sowie zu einer Überladung
der übrigen
Zellen oder Module in der Batterie führen, was die Lebensdauer der
Zelle oder des Moduls beeinträchtigen
würde.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung beugt den dem Stand der Technik innewohnenden
Nachteilen vor und schwächt
diese ab, indem sie ein System nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren
nach Anspruch 10 zur direkten Bestimmung der nutzbaren Kapazität einer
Reservebatterie bereitstellt, auch wenn die Batterie fern angeordnet
ist, und ohne die Fähigkeit
der Reservebatterie, im Fall eines Wechselstromausfalls während der
Batterieprüfung
in Betrieb zu sein, zu umfassen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch Durchführung
einer aufeinanderfolgend ausgeführten,
individuellen Bestimmung jedes Moduls, das in einem Batteriesatz
enthalten ist, wobei die Bereitstellung von Strommessmitteln zur
Messung eines Entladungsstromes und/oder eines Ladungsstromes des
(der) Batteriemoduls (Batteriemodule) die Berechnung von Daten mit
Bezug auf die nutzbare Kapazität
des (der) Batteriemoduls (Batteriemodule) aus dem Strom des (der)
Batteriemoduls (Batteriemodule) ermöglicht. Der in dieser Patentschrift verwendete
Begriff „Modul" bedeutet eine oder
mehrere elektrochemische Zellen.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ergibt sich aus deren
Fähigkeit,
den Zustand des Batteriemoduls mit bestimmten Chemien, zum Beispiel
ventilgeregelter Blei-Säure-(VRLA)
oder Nickel-Kadmium-Module, zu regenerieren oder zu verbessern.
Die Entladungs-Lade-Folge, die durchgeführt wird, um die nutzbare Kapazität des Moduls
zu bestimmen und zu kontrollieren, dient auch dem besseren Durchlaufen
des Moduls.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
die Verwaltung der Reservebatteriestromquelle der verteilten Kommunikationssysteme
der Telekommunikations industrie. Die Erfindung ermöglicht,
dass einzelne Telekommunikationsstellen mit Faseroptik- oder Funkgeräten, die
durch Systeme versorgt werden, welche Reservebatterien enthalten,
mit verbesserter Zuverlässigkeit
und Wirtschaftlichkeit betrieben werden können. Die Erfindung stellt
intelligentes Laden auf der Zellen- oder Modulebene bereit und stellt somit
sicher, dass der Reservebatteriesatz stets eine optimale Ladung
erhält.
Die Erfindung stellt weiterhin eine fortlaufend aktualisierte Batteriesatzkapazität bereit,
basierend auf Zellen- oder Modulentladungsprüfungen, sodass den einzelnen Stellen
des Telekommunikationssystems ein Echtzeitverfahren der Reservebatterienetzwerkverwaltung
bereitgestellt wird. Dieses Netzwerkbatterieverwaltungssystem bietet
dem Benutzer Informationen zur Optimierung der Effizienz und Betriebsfähigkeit
des Telekommunikationssystems für
den Fall eines Wechselstromausfalls, insbesondere bei einer weit
reichenden oder längeren
Wechselstromunterbrechung.
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In
einem Aspekt (vgl. Anspruch 1) stellt die Erfindung ein System bereit
- – zur
direkten Bestimmung der nutzbaren Kapazität mindestens eines Batteriemoduls
in einem Batteriesatz, und/oder
- – zum
Durchlaufen von Batteriemodulen in einem Batteriesatz, während der
Batteriesatz in Betrieb bleibt, und/oder
- – zur
Batteriezustandspflege von insbesondere fern angeordneten Reservebatteriesätzen, wobei
das System umfasst:
- – eine
Kontrollschaltung, die mit einem Steuergerät mit programmierbarer Logik
funktionsfähig
verbunden ist und mit einem oder mehreren Batteriemodulen im Batteriesatz,
wobei die Kontrollschaltung umfasst
-- Batteriemodullademittel,
--
Entladungsmittel, insbesondere Entladungsmittel zum Entladen des
Batteriemoduls, und
-- mindestens ein Strommessmittel zur Messung
eines Entladungsstromes und/oder eines Ladestromes des mindestens
einen Batteriemoduls,
- – das
Steuergerät
mit programmierbarer Logik zur Berechnung der nützlichen Kapazität des Batteriemoduls aus
dem Strom des mindestens einen Batteriemoduls, und
- – mehrere
Relais, die vom Steuergerät
mit programmierbarer Logik gesteuert werden und zwischen die Kontrollschaltung
und den Batteriesatz geschaltet sind und insbesondere zwischen dem
Batteriemodullademittel, dem Entladungsmittel und den Batteriemodulen
angeschlossen sind, wobei das Steuergerät mit programmierbarer Logik
dafür entworfen
ist,
- – die
Batteriemodullademittel zu kontrollieren und die Entladungsmittel,
und
- – wahlweise
und insbesondere aufeinanderfolgend die mehreren Relais zu öffnen und
zu schließen,
die mit den Batteriemodullademitteln und den Entladungsmitteln verbinden,
--
um mindestens ein Batteriemodul im Batteriesatz an das Batteriemodullademittel
anzuschließen
oder an das Entladungsmittel und/oder
-- alternativ eine Entladungsschaltung
festzulegen, die ermöglicht,
eins der Module durch die Entladungsmittel zu entladen, insbesondere
unter eine festgelegte Ladung, und/oder durch die Batteriemodullademittel wieder
aufzuladen.
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Bevorzugt
umfasst das Steuergerät
mit programmierbarer Logik mindestens einen Modulspannungsableser,
Batteriesatzstromableser und Modulstromableser, eine Schalterbetätigungseinrichtung
zur Steuerung der Trennrelais, eine Regeleinrichtung für das Mittel
zur variablen Entladung und den Einzelmodulbatterielader (Regeleinrichtung
für den
Lader/Entlader) oder ist funktionsfähig mit diesen verbunden.
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In
einem zusätzlichen
Aspekt (vgl. Anspruch 10) stellt die Erfindung ein Verfahren bereit
zur Abschätzung
der Betriebskapazität
oder nutzbaren Kapazität
mehrerer Batteriemodule, die einen Batteriesatz bilden, nacheinander,
wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
- – Bereitstellung
eines Steuergerätes
mit einer Betätigungseinrichtung
zur Steuerung des Öffnens
und Schließens
von Relais, Auswahl eines der Module für die Abschätzung,
- – Verbindung
des ausgewählten
Moduls mit einem Mittel zur variablen Entladung durch Schließen des
Relais, das das Modul mit dem Mittel zur Variablen Entladung verbindet, Messung
von Stromparametern, die die nutzbare Kapazität des Moduls bestimmen, während das
Modul geladen ist,
- – Feststellen,
ob die nutzbare Kapazität
einem festgelegten Schwellenwert der nutzbaren Kapazität entspricht,
- – Trennen
des ausgewählten
Moduls vom Mittel zur variablen Entladung durch Öffnen des Relais und entweder
(a)
Verbinden des ausgewählten
Moduls mit einem Batteriemodullademittel zum Wiederaufladen, wenn
die nutzbare Kapazität
dem festgelegten Schwellenwert entspricht oder
(b) Erzeugung
eines Signals, wenn die nutzbare Kapazität dem Schwellenwert nicht entspricht,
wobei die Koordinierung der obigen Schritte durch Verwendung des
Steuergerätes
mit programmierbarer Logik erfolgt, das funktionsfähig in Kombination
umfasst:
-- mindestens einen Spannungsableser,
-- mindestens
einen Batteriestromableser und
-- mindestens einen Modulstromableser.
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Bevorzugt
wird die nutzbare Kapazität
erhöht
und/oder die Kapazitätsverlustrate
des Batteriesatzes im Betrieb verringert durch Anwendung eines optimalen
Ladeverfahrens auf die Batteriemodule, die im Batteriesatz enthalten
sind, während
der Batteriesatz im Betrieb bleibt, wobei insbesondere die mehreren
verschiedenen Ladeverfahren aus der Gruppe ausgewählt werden
können,
die umfasst:
- a) mit konstanter Spannung,
- b) mit konstantem Strom,
- c) mit konstanter Leistung
- d) Schnellladung,
- e) Pulsladung.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Zeichnung einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, die eine Schaltung mit überbrückter Verbindung mit drei Modulen
abbildet,
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2 ist
eine schematische Zeichnung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung, die eine Schaltung mit überbrückter Verbindung mit „n" Modulen abbildet,
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3 ist
ein Flussdiagramm, das die Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung
schematisch abbildet,
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4 ist
eine schematische Darstellung des Netzwerkverwaltungssystems, das
eine weitere Ausführungsform
der Erfindung ist
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5 ist
eine schematische Darstellung eines verbesserten Batterieverwaltungsnetzwerkes,
das eine weitere Ausführungsform
der Erfindung ist
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6 ist
eine schematische Zeichnung einer optionalen Schaltung mit eingefügter Verbindung
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
umfasst ein Steuergerät
mit programmierbarer Logik (PLC) oder einen Rechner, angeschlossen
an mehrere Mehrfachschützen,
Relais oder Festkörperschaltvorrichtungen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann in Verbindung mit wiederaufladbaren Batterien verschiedener
chemischer Zusammensetzung(en) verwendet werden. Einige sind versiegelte,
andere verschlossene, wiederum andere ventilgeregelte Batterien.
Die typische Chemie der Batterien ist Nickel/Kadmium oder Blei-Säure. Die
Schwellenspannung wird im Hinblick auf die Chemie des Moduls festgelegt.
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Die
Erfindung verwendet eine Schaltung mit überbrückter Verbindung, welche das
Prinzip des kirchhoffschen Gesetzes nutzt. Ein derartiger Ansatz
bedeutet, dass das Modul, welches beurteilt wird, nicht von den
anderen Modulen, die im Batteriesatz enthalten sind, getrennt zu
werden braucht. 1 und 2 stellen eine überbrückte Verbindung
schematisch dar. Eine überbrückte Schaltung
stellt sicher, dass die elektrische Integrität des Batteriesatzes nicht
verletzt werden muss, um ein Einzelmodul zu beurteilen. Unter Anwendung des
in 3 dargestellten Algorithmus wird die Kapazität jedes
Moduls aufeinanderfolgend berechnet. Der Rechner steuert das Öffnen und
Schließen
von Trennrelais, die variable Entladungslast sowie den Modulbatterielader.
Weiterhin fühlt
der Rechner Folgendes ab: Strom und Spannung des Batteriesatzstrangs,
Lade-/Entladungsstrom
des ausgewählten
Moduls, Spannung des ausgewählten
Moduls, Umgebungstemperatur und Temperatur des Batteriesatzes und/oder
Moduls.
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In 2 ist
der Batteriesatz in funktionsfähiger
Verbindung mit einer Schaltung gezeigt, welche eine Ladung und einen
Batterielader umfasst, was die Primärstromquelle und Ladung darstellt,
für die
der Batteriesatz als Reserve vorgesehen ist. Damit die Betriebskapazität des Reservebatteriesatzes
genau gemessen werden kann, muss der Strom, der von der Primärstromquelle
in den Batteriesatz fließt,
entsprechend berücksichtigt
werden. Die Anwendung des kirchhoffschen Gesetzes, bei dem +/–ic = +/–ip + +/–im ist,
wobei +/–is für Laden
positiv und für
Entladen negativ, ic der Modulstrom, ip der Strom des Primärstromkreises
und im der Strom der Kontrollvorrichtung ist, ermöglicht dem
PLC die genaue und ausgewählte
Messung der Betriebskapazität
eines bestimmten Moduls in dem Batteriesatz ohne Trennung oder Loslösung des
Moduls von den übrigen
Modulen, die im Batteriesatz enthalten sind.
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Während des
Betriebs steuert und koordiniert das Steuergerät selektiv das öffnen und
Schließen
der Schalter, die den Batterielader und die variable Entladungslast
miteinander verbinden. Wenn es gewünscht wird, die Kapazität von Modul
oder Zelle 1 zu messen, werden Trennrelais A1 und B1 auf Befehl
des PLC geschlossen, das daraufhin die Relais schließt, welche
die variable Entladungslast mit der Batterie verbinden. Die so geschaffene
Entladungsschaltung ermöglicht
das Entladen von Modul oder Zelle 1 über die variable Entladungslast
hinweg. Der Modulstrom wird durch einen Ableser innerhalb der Schaltung
gemessen und dem PLC wieder zugeführt. Das PLC bewirkt daraufhin,
dass sich die Relais, welche die variable Entladungslast mit der
Batterie verbinden, öffnen,
und schließt
dann die Relais, die den Batterielader mit der Batterie verbinden, wodurch
eine Ladeschaltung bestimmt wird, die Modul 1 bis zu einem Schwel lenwert
auflädt,
der mit der nutzbaren Kapazität
der anderen Module innerhalb des Strangs konsistent ist. Die Vorgehensweise
wird dann nacheinander für
die verbleibenden Module 2, 3, ... n innerhalb des Strangs wiederholt.
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Das
Steuergerät
mit programmierbarer Logik umfasst mindestens einen Modulspannungsableser, mindestens
einen Batteriesatzstromableser und Modulstromableser, eine Schalterbetätigungseinrichtung
zur Steuerung der Trennrelais, eine Regeleinrichtung für das Mittel
zur variablen Entladung sowie den Einzelmodulbatterielader (Regeleinrichtung
für Lader/Entlader)
beziehungsweise ist mit diesen verbunden.
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Sowohl
die variable Entladungslast als auch die Leistung des Batterieladers
werden gemäß der vorherrschenden
Batterie- und Modulumgebungstemperatur angepasst, um Batterieschäden zu verhindern.
Außerdem
berechnet der Rechner die Ah-(Amperestunden-)Kapazität jeder
Batteriezelle durch Integration des Entladungsstroms über die
Zeit bis zum Erreichen des Schlussspannungsschwellenwertes oder
die Energiekapazität
durch die obige Integration des Stromes mal der Spannung über die
Entladungszeit in Stunden. Eine Alternative zu der Nutzung eines
Rechners zur Steuerung der variablen Entladungslast und des Batterieladers ist
eine direkte Steuerung unter Anwendung linearer Schaltungen.
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Das
zur Entladung des Moduls verwendete Mittel kann ein anwendungsspezifisches
variables Entladungsprofil sein, mit konstantem Strom, konstantem
Widerstand oder konstanter Leistung. Das gewählte Verfahren hängt von
der Batterietechnologie und dem normalen Gebrauch ab. Zur Umsetzung
dieser Verfahren wird typischerweise ein variabler Widerstand oder
dergleichen verwendet.
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Der
zum Wiederaufladen des untersuchten Moduls verwendete Batterielader
kann mit verschiedenen Algorithmen arbeiten, einschließlich konstanter
Spannung/konstantem Strom, konstanter Leistung und Schnellladeverfahren,
einschließlich
Pulsladung.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
können
die in 2 und 3 gezeigten Relais A, B und
C durch Festkörperschalter
ersetzt werden. Festkörper vorrichtungen
weisen jedoch folgende Eigenschaften auf, die ihre Eignung als Ersatz
für Relais
beeinflussen:
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- 1) sie neigen beim Leiten von Strom zu einem
Spannungsabfall. Bei der Ausführungsform
mit eingefügter Verbindung
würde sich
die Batteriespannung unter Last etwas (um den Bruchteil eines Volts)
verringern. In dem Fall der überbrückten Verbindung
könnte
dieses Problem durch Abfühlen
von Batteriespannungen an der Verbindungsstelle mit der Erfindung
reduziert werden,
- 2) üblicherweise
werden zum Leiten in zwei Richtungen zwei Festkörpervorrichtungen benötigt. Dies
erhöht die
Kosten und die Komplexität
des Entwurfs,
- 3) Eingänge
werden nicht von Ausgängen
getrennt. Dies ist ein wenig problematisch, da die Kontrollschaltung
mit Punkten aufwärts
und abwärts
entlang der Kette von Modulen, welche die Batterie bilden, verbinden
muss. Falls die Batteriespannung 30 Volt überschreitet, wird eine optische
Trennung benötigt,
die den Entwurf weiter verkompliziert.
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Aufgrund
der oben dargelegten Probleme würde
die Verwendung von Festkörperschaltern
als Ersatz für
Relais A, B und C auf einer Einzelfallgrundlage entschieden werden.
Die wahrscheinlichste Anwendung wäre bei Batterien, die Spannungen
unter 30 Volt oder Ströme
unterhalb von wenigen Ampere aufweisen oder wenn die Batterieleistungspegel
nicht viel höher
sind als die Relaisantriebserfordernisse oder wenn die Verwendung
von elektromechanischen Relais aus anderen Gründen nicht wünschenswert
ist.
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Die
Erfindung funktioniert als ein integraler Bestandteil der Batterie
und ist dafür
entworfen, im Fall eines Wechselstromausfalls weiter in Betrieb
zu bleiben, und ist in der Lage, einen Volllaststrom als Ersatz
für ein
teilweise entladenes Modul bereitzustellen. Dadurch wird sichergestellt,
dass die nutzbare Kapazität
des Batteriesatzes verfügbar
ist und dass das Modul gegen Gegenspannungsschäden geschützt ist.
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Damit
in dem unwahrscheinlichen Fall, dass der Modulbatterielader ausfällt, wenn
die getrennte Batterie entladen wird, keine Kapazität verloren
geht, wird zusätzliche
Kapazität
in Form eines externen Moduls bereitgestellt. Dieses Modul wird
durch die Erfindung normalerweise mit einer Erhaltungsladung versorgt. Wenn
der Batterielader während
eines Entladungszyklus ausfällt,
wird das externe Modul oder die externe Batterie verwendet, um den
Batterielader mit Strom zu versorgen.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann weiterhin eine Alarmschaltung umfassen, die ein hörbares oder
sichtbares Warnsignal überträgt, um anzuzeigen,
dass die Kapazität
des Batteriesatzes unter einen nutzbaren Wert gefallen ist, was
insbesondere wichtig ist, wenn der Batteriesatz als eine Reservestromquelle
verwendet wird. Dadurch wird die Möglichkeit bereitgestellt, einzelne
Batterien der Batterie anstelle des gesamten Satzes zu ersetzen,
wodurch eine wesentliche Erhöhung
der Lebensdauer des Batteriesatzes und eine daraus resultierende
Verringerung der Batteriekosten für den Benutzer bereitgestellt
wird.
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Wie
in 4 abgebildet, können mehrere der erfindungsgemäßen Vorrichtungen
miteinander vernetzt werden, um das Sammeln von Daten zu ermöglichen,
die für
die effektive Verwaltung von Systemen mit Installationen mit mehreren
Batterien erforderlich sind. Die aus dem Netzwerk erfassten Daten
werden in einem zentralen Datenzentrum zusammengestellt. Dies vereinfacht
das Problem der Handhabung einer großen Datenmenge, ermöglicht die
Analyse des Notstroms in großen,
komplexen Systemen, was das Treffen von schnellen, hinreichend sachkundigen
Entscheidungen erleichtert.
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Die
in 4 gezeigte Ausführungsform ist ein Netzwerk
aus mehreren (in 1 beziehungsweise 2 gezeigten)
Batteriezustandspflegevorrichtungen, die in Verbindung mit den Batteriereservestromquellen
für mehrere,
fern angeordnete Installationen an Stellen eines Telekommunikations-
oder anderen ähnlichen
Netzwerkes oder Systems installiert sind. Die fern angeordneten
Batteriezustandspflegevorrichtungen sind durch mehrere Kommunikations-
oder Unternetzwerke mit einer oder mehreren Instationen verbunden.
Die Instation ist mit geeigneter Software ausgestattet, um der Instation
zu ermöglichen,
Daten aus den fern angeordneten Installationen zu protokollieren,
Alarme zu erzeugen, Statistiken zu erstellen, Daten zu Vergleichszwecken
in Tabellen zu gruppieren, Trends darzustellen, Daten zu extrapolieren,
Berichte zu erstellen und das Führen
von Aufzeichnungen zu unterstützen.
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Das
in 4 gezeigte Netzwerk ist anwendungsspezifisch und
konzentriert sich auf die Hilfe bei der routinemäßigen Zustandspflege (einschließlich Kontrolle
oder Stromunterbrechungen) einer fern angeordneten Batterie wie
beispielsweise einer fern angeordneten Zellularstelle. Aufgrund
der Betonung der routinemäßigen Wartung
liefert die Instation Informationen wie beispielsweise verbleibende
Zeit des Batteriesatzes, Alarme, Wartungsaufzeichnungen, Aufzeichnungen
zu Stillstandszeiten der Stelle und Stromunterbrechungen. Das System
ist mit umfassenden Datenbankfunktionen ausgestattet, die zur Darstellung
von Trends oder zur Bereitstellung von historischen Belegen zum
Batteriesystemstatus verwendet werden.
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Ein
komplexerer Netzwerktyp ist in 5 abgebildet,
umfassend mehrere einzelne Batteriezustandspflegeinstallationen
und/oder ein oder mehrere anwendungsspezifische Netzwerke. Alle
an den einzelnen Installationen oder Stellen dieses Netzwerkes erfassten
Daten werden in einem Hauptsteuerungszentrum zusammengestellt, das
ausgestattet ist, um die Batteriewartung einzelner Stellen oder
Systeme durch Bereitstellung von Routinekontroll- und/oder Diagnosehilfe
zu verwalten. Das Hauptsteuerungszentrum kann mit Personal besetzt
sein, das mit Batteriesystemen und -wartung hinreichend vertraut
und in der Lage ist, Probleme, die sich in den eingehenden Daten
widerspiegeln, zu analysieren und darüber hinaus konstruktive und
abhelfende Ratschläge
erteilen kann.
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Optional
kann eine Batteriezustandspflegevorrichtung, die als Stellen in
den in 4 und 5 abgebildeten Netzwerken gezeigt
ist, anstelle der in 1 und 2 gezeigten
Schaltung mit überbrückter Verbindung
eine Schaltung mit eingefügter
Verbindung, gezeigt in 6, verwenden.
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Eine
Schaltung mit eingefügter
Verbindung trennt eines der Mehrfachmodule in dem Batteriesatz (typischerweise
neun oder elf Module) durch Herausnahme der Zelle aus der Pufferungs-/Erhaltungsladungsschaltung
und anschließendes
Durchführen
einer Entladung des Batteriemoduls, was die Energie des Moduls bei
der Nennbelastbarkeit des Moduls in Mittel zur variablen Entladung
abzieht, wie beispielsweise eine Festwiderstandsheizeinrichtung
oder ähnliche
Vorrichtung. Das PLC zeichnet daraufhin auf, welches Modul entladen
wird und wie lange die Entladung bis auf eine vorprogrammierte Schlussspannung
dauert. Diese Information wird dann verwendet, um zu berechnen,
wie viel Energie das Modul unter tatsächlichen Lastbedingungen liefern
konnte, wodurch ein reelles Maß seiner
nutzbaren Kapazität
bereitgestellt wird. Die Information zur Modulkapazität wird durch
eine Flüssigkristallanzeige
oder ähnliche
Mittel bereitgestellt und in Form von Wattstunden, Amperestunden,
% „wie
neu" oder der Zeit
bis zum Versagen unter Last in Minuten angegeben, je nachdem, welche
Angabe der Endbenutzer benötigt.
Wenn die gemessene Kapazität
unter einen festgelegten Schwellenwert abfällt, wird ein Alarm ausgelöst, der
die Notwendigkeit eines Austausches der Batterie oder des Moduls
signalisiert. Der Batteriemodullader wird eingeschaltet, um das
entladene Modul wieder aufzuladen.
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Bei
der in 6 gezeigten Schaltung mit eingefügter Verbindung
speisen Batterie B1, B2 und B3 eine Lade-/Entladungsschaltung V.
Trennrelais beziehungsweise Kontakte A und B verbinden ein einzelnes
Modul mit einer Kontrollschaltung, während Kontakt C die durch Entfernen
des Moduls entstandene Lücke
in der Batterie schließt.
Wenn Relaiskontakt C geschlossen ist, wird der durch das Entfernen
des Batteriemoduls gebildete offene Stromkreis geschlossen, wodurch
ermöglicht
wird, dass Strom durch die Lade-/Entladungsschaltung fließt. Wenn
Trennrelais A, B geschlossen sind, kann ein einzelnes Batteriemodul
getrennt und mit der Kontrollschaltung verbunden werden. Je nach
Bedarf entlädt
und lädt
die Kontrollschaltung das getrennte Batteriemodul, wobei die durch
den Stromfühler
bereitgestellte Rückmeldung
sowie die voreingestellten Spannungsgrenzwerte genutzt werden.
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Für den Fall
eines Wechselstromnetzausfalls müssen
die Relais weiterhin in Betrieb bleiben, da ein entladenes Modul
andernfalls wieder in den Batteriesatz eingeführt würde, was die nutzbare Kapazität des Batteriesatzes
verringern würde.
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Die
Batteriespannung würde
normalerweise (Vc·N-1)
betragen, wobei Vc die Modulnennspannung und N die Anzahl der Module
in der Batterie ist. Während
sich die Kontrollschaltung von einem Modul zum nächsten bewegt, verursacht sie
eine Unterbrechung der Batteriesatzspannung. Der Batteriesatz geht
vorüberge hend
in einen offenen Stromkreis über,
daraufhin springt die Spannung auf VC·N, anschließend geht
der Batteriesatz erneut in einen offenen Stromkreis über, und
schließlich
kehrt die Spannung auf (Vc·N-1)
zurück.
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Das
zu messende Modul wird dementsprechend durch selektives Einsetzen
von Trennrelais von den übrigen
Modulen, die im Batteriesatz enthalten sind, getrennt. Daraufhin
wird das Modul entladen, seine Kapazität wird durch das PLC als eine
Funktion der Entladungslast gemessen, und anschließend wird
es wieder aufgeladen. Das getrennte Modul ist vorübergehend
nicht in der Lage, zu der Leistung der Batterie beizutragen. Die
Vorgehensweise wird zu auswählbaren
Zeitpunkten nacheinander für
die verbleibenden Module, die im Batteriesatz enthalten sind, wiederholt.
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Es
wird jeweils immer nur ein Batteriemodul entladen, sodass das System
niemals zu mehr als 1/9 oder 11 % unter seiner maximalen Amperestunden-
oder Wattstunden-Energiekapazität
(im Fall eines Batteriesatzes mit neun Zellen) liegt. Bei einem
Wechselstromausfall (d. h. einer Situation, in welcher der Gleichstrombatteriesatz
in Betrieb ist), wird, wenn eines der Module nicht vollständig geladen
ist, dieses Modul durch Verwendung von Trennrelais aus dem Stromkreis
herausgehalten.
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Als
eine Alternative zu diesem Verfahren kann zu dem Batteriesatz ein
mit den Batteriemodulen in dem Batteriesatz identisches Modul hinzugefügt werden;
zum Beispiel kann ein Batteriesatz mit 9 Modulen in einen Batteriesatz
mit 10 Modulen umgewandelt werden. In diesem Fall wird der Modulbatterielader
durch den Batteriesatz mit Strom versorgt.
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Für den Fall,
dass ein Batteriemodul mit einer geringeren nutzbaren Kapazität als die übrigen Module in
dem Satz vorhanden ist, kann die Erfindung den Zustand des Moduls
mit verringerter Kapazität
bestimmen und es vom Rest des Batteriesatzes elektrisch trennen,
bis der Rest des Satzes ein Modul mit einer schlechteren Leistung
aufweist als das getrennte Modul mit verringerter Kapazität.
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