EP2577838A1 - Stromversorgung und verfahren zum betreiben der stromversorgung - Google Patents

Stromversorgung und verfahren zum betreiben der stromversorgung

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EP2577838A1
EP2577838A1 EP11720071.7A EP11720071A EP2577838A1 EP 2577838 A1 EP2577838 A1 EP 2577838A1 EP 11720071 A EP11720071 A EP 11720071A EP 2577838 A1 EP2577838 A1 EP 2577838A1
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EP
European Patent Office
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accumulator
power supply
current
output
power
Prior art date
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Ceased
Application number
EP11720071.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Harald Schweigert
Wolfgang BÖHM
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP2577838A1 publication Critical patent/EP2577838A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05F—SYSTEMS FOR REGULATING ELECTRIC OR MAGNETIC VARIABLES
    • G05F1/00—Automatic systems in which deviations of an electric quantity from one or more predetermined values are detected at the output of the system and fed back to a device within the system to restore the detected quantity to its predetermined value or values, i.e. retroactive systems
    • G05F1/66—Regulating electric power
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/0031—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits using battery or load disconnect circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J9/00—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting
    • H02J9/04—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source
    • H02J9/06—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems
    • H02J9/061—Circuit arrangements for emergency or stand-by power supply, e.g. for emergency lighting in which the distribution system is disconnected from the normal source and connected to a standby source with automatic change-over, e.g. UPS systems for DC powered loads
    • H—ELECTRICITY
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    • H02J7/00—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • H02J7/0029—Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries with safety or protection devices or circuits
    • H02J7/00306—Overdischarge protection

Definitions

  • the invention relates to a power supply comprising a controller and a power unit, wherein at a first output of the power unit, a DC output voltage is applied, to which a load with variable power consumption can be connected.
  • a supply network to which the power supply is connected usually has no perfect
  • Examples are cable cars and chairlifts, which require a battery backup according to various regulations, to a control voltage (usually 24V) for emergency supply of
  • buffer accumulators In this case, coming to use buffer accumulators should achieve the longest possible life in order to keep the maintenance of a plant low. With such rechargeable batteries, care is therefore taken to ensure a gentle charging and discharging process as well as protection against battery deep discharge.
  • a UPS system is a comprehensive solution because the accumulator can be charged by the charge controller with a tuned and optimized charging current characteristic without affecting the load. At the same time, this method is very expensive, since usually a separate UPS module is required in addition to the power supply.
  • the power supply is selected in such a way that there is a possibility for limiting the output current to a defined value above the rated current.
  • Buffer accumulator is via a backup or a
  • the output voltage of the power supply is adjusted so that it corresponds to the charging voltage of the accumulator. As long as the accumulator is not fully charged, the power supply is operated at its power limit.
  • Controlled charge is not possible.
  • the load will be charged after charging the accumulator
  • the invention is based, for a
  • Charging current or discharge current of the accumulator is set by controlling the DC output voltage. This is the result
  • Charging current or discharge current of the accumulator can be determined without its own UPS assembly. The accumulator and the too
  • Charging current This allows accurate control of the charging current by varying the output voltage.
  • the load voltage fluctuates with the accumulator charging voltage, but this does not matter due to the tolerances of the connected load.
  • the arrangement eliminates a charge controller circuit and still allows a controlled charge of the accumulator.
  • the DC output voltage is passed via the current measuring device to the second output.
  • a charging circuit is thus of an output terminal of the
  • the charging circuit can branch off even before the output terminal or include its own secondary-side auxiliary winding of a transformer. In the latter case, there is a fixed coupling between this auxiliary winding and a secondary-side main winding. It is also here, for example, only an actuator and a pulse width modulator required.
  • the load is by means of a first
  • This first diode or this first switch in a simple manner prevent the charging current from flowing directly into the load.
  • the first switch is only in the
  • Current measuring device comprises a shunt resistor and is connected to the controller.
  • the controller comprises a shunt resistor and is connected to the controller.
  • a charging makes a complete switching away from the power supply necessary, is switched off in one case by means of control of the other switches.
  • the output voltage is slightly lowered by means of control and the second diode couples the
  • the power supply comprises a
  • Power supply provides that by means of control for a predetermined duration, a lowering of the DC output voltage, so that the load is supplied by accumulator for this predetermined period. This serves, for example, the
  • Fig. 9 voltage waveforms
  • the power supply shown in Fig. 1 comprises a power unit 1 and a controller 5.
  • Power unit 1 has a primary side P, which can be connected to a supply network. At a first output OUT1 a secondary side S of the converter 2 is based on a reference potential G DC output voltage U L. At this a load 3 is connected.
  • the DC output voltage U L is fed via a current measuring device to a second output OUT2.
  • this current measuring device comprises a shunt resistor Rl.
  • Charging current measuring unit 5a of the controller 5 measured, indicated in Fig. By dotted arrows. Likewise, the
  • Output voltage measuring unit 5b of the controller 5 measured. Between the second output OUT2 and the reference potential G, an accumulator 4 is turned on.
  • the battery voltage U A is measured by means of a battery voltage measuring unit 5 c of the controller 5.
  • the DC output voltage U L is influenced by means of control 5.
  • the controller 5 comprises an influencing unit 5 d, which has a
  • Output voltage controller set an increased setpoint when a drop in the charging current I L is detected. On the other hand, if the charging current I L increases because, for example, the load 3 consumes less current, the output voltage regulator is given a lowered nominal value.
  • FIG. 2 essentially corresponds to that in FIG. 1, with the difference that a first diode D 1 is arranged between the second output OUT 2 and the load 3.
  • the anode is connected to the second output OUT2, so that current flows from the accumulator 4 into the load 3 as soon as the DC output voltage U L drops below the accumulator voltage U A.
  • a second diode D2 is arranged in Fig. 3 in the charging power line of the accumulator 4, wherein this for a
  • Another switch can be used, which is switched off by the controller in buffer mode and thereby interrupts the charging power line.
  • FIG. 4 A circuit variant for preventing a deep discharge of the accumulator 4 is shown in Fig. 4.
  • the drawn in FIGS. 2 and 3, the first diode is replaced by a first switch Sl, which is controlled by means of control 5. If the supply by the power unit 1 is omitted, the controller 5 is further supplied by the accumulator 4.
  • the first switch Sl is thus also at
  • FIG. 1 Another circuit variant with deep discharge protection is shown in FIG. In this case, instead of a first switch S1, a first diode D1 is arranged again, and immediately before the accumulator 4, a second switch S2 is provided, controlled by means of control 5. In addition, a supply V for the controller 5 from the first output OUT1
  • the battery 4 In buffer mode, if necessary, the battery 4 is de-energized by switching off the second switch S2 and thus protected against total discharge.
  • the circuit variant shown in FIG. 6 essentially corresponds to that in FIG. 5, but the first diode D 1 is connected to a first controllable by means of a controller 5
  • Battery conditioning sets optimized charging and discharging pulses to extend the life of the accumulator 4.
  • the first switch Sl can be closed to the
  • This circuit also provides deep discharge protection by the second switch S2 is opened.
  • FIG. 1 A further circuit variant with a second switch S2 for protection against over-discharge is shown in FIG.
  • an auxiliary switch SH is arranged, which allows a complete separation of the controller 5 from the accumulator 4. This ensures that even during a longer interruption of operation no discharge of the accumulator 4 by voltage divider of
  • Accumulator voltage measuring unit 5c takes place.
  • the accumulator 4 is thus enabled by all possible consumers.
  • the DC output voltage U L is not raised, but lowered below the battery voltage U A. This results in a current flow from the accumulator 4 through the load circuit.
  • a test load is usually connected to the accumulator at predetermined intervals and brought about a short-term load or the current flowing load current used as a load.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgung, eine Steuerung (5) und einen Leistungsteil (1) umfassend, wobei an einem ersten Ausgang (OUT1) des Leistungsteils (1) eine Ausgangsgleichspannung (UL) anliegt, an welche eine Last (3) mit variablem Stromverbrauch anschließbar ist. Dabei ist ein zweiter Ausgang (OUT2) des Leistungsteils (1) über eine Strommessvorrichtung geführt, wobei an diesem zweiten Ausgang (OUT2) ein Akkumulator (4) angeschlossen ist. Zudem ist ein mittels Strommessvorrichtung gemessener Ladestrom (IL) oder Entladestrom des Akkumulators (4) durch Steuern der Ausgangsgleichspannung (UL) eingestellt. Dadurch ist der Ladestrom bzw. Entladestrom des Akkumulators (4) auch ohne eigene USV-Baugruppe bestimmbar.

Description

Stromversorgung und Verfahren zum Betreiben der
Stromversorgung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Stromversorgung, eine Steuerung und einen Leistungsteil umfassend, wobei an einem ersten Ausgang des Leistungsteils eine Ausgangsgleichspannung anliegt, an welche eine Last mit variablem Stromverbrauch anschließbar ist.
Insbesondere in Industrieanlagen findet man häufig die
Situation vor, dass eine Last mittels einer Stromversorgung versorgt ist und dabei einen nicht vorherbestimmten Strom entnimmt. Ein Versorgungsnetz, an welches die Stromversorgung angeschlossen ist, weist in der Regel keine vollkommene
Ausfallsicherheit auf. Es sind deshalb verschiedene Maßnahmen bekannt, um bei Netzausfällen für eine gewisse Zeit eine weitere Versorgung der Last sicherzustellen. Dies ist vor allem bei sicherheitsrelevanten Anwendungen der Fall. Ein
Beispiel sind Seilbahnen und Sessellifte, welche entsprechend diverser Vorschriften eine Batteriepufferung benötigen, um eine Steuerspannung (meist 24V) zur Notversorgung von
Signalen sowie Steuer- und Kommunikationseinrichtungen aufrecht zu erhalten.
Dabei sollen zum Einsatz kommende Pufferakkumulatoren eine möglichst lange Lebensdauer erreichen, um den Wartungsaufwand einer Anlage niedrig zu halten. Bei solchen Akkumulatoren wird daher gegebenenfalls auf einen schonenden Lade- und Entladevorgang sowie auf einen Schutz vor Akkumulator- Tiefentladung geachtet.
Berücksichtigt wird dies beispielsweise beim Einsatz einer unterbrechungsfreien Stromversorgungsanlage (USV-Anlage) für eine Gleichspannung, wobei ein Pufferakkumulator mittels eines Ladereglers und einer Abschaltung bei Tiefentladung betrieben wird. Bei solchen Anlagen wird die Last meist mit der Nenn-Ausgangsspannung der Stromversorgung versorgt. Nur im Notfall wird die Last auf die meist höhere Spannung des geladenen Akkumulators umgeschaltet.
Eine USV-Anlage stellt eine umfassende Lösung dar, weil der Akkumulator durch den Laderegler mit einer abgestimmten und optimierten Ladestrom-Charakteristik geladen werden kann, ohne dass die Last beeinflusst wird. Gleichzeitig ist diese Methode sehr aufwendig, da meist eine eigene USV-Baugruppe zusätzlich zur Stromversorgung benötigt wird.
Man kennt deshalb auch Lösungen ohne eigene USV-Baugruppe. Dabei wird die Stromversorgung in der Weise ausgewählt, dass eine Möglichkeit zur Begrenzung des Ausgangsstromes auf einen definierten Wert oberhalb des Nennstromes besteht. Ein
Pufferakkumulator wird über eine Sicherung oder einen
Sicherungsautomaten direkt an den Ausgang einer solchen
Stromversorgung geschaltet, also parallel zur angeschlossenen Last. Bei einem Netzausfall übernimmt der Akkumulator direkt die Versorgung der Last.
Die Ausgangsspannung der Stromversorgung ist so eingestellt, dass sie der Ladeschlussspannung des Akkumulators entspricht. Solange der Akkumulator nicht voll geladen ist, wird die Stromversorgung an ihrer Leistungsgrenze betrieben. Die
Differenz zwischen Verbrauch der Last und der Leistungsgrenze wird als Ladestrom in den Akkumulator geleitet. Eine
kontrollierte Ladung ist dabei nicht möglich. Die Last wird nach dem Aufladen des Akkumulators mit der
Ladeschlussspannung betrieben. Dies ist jedoch in der Regel aufgrund einer ausreichenden Toleranz des
Versorgungsspannungsbereichs der Last (zumindest bei 24V- Verbrauchern) unproblematisch.
Neben dem bereits angesprochenen unkontrollierbaren Ladestrom besteht ein weiterer Nachteil darin, dass bei einer absichtlichen Abschaltung der Anlage immer auch der
Akkumulator separat weggeschaltet werden muss. Ansonsten besteht die Gefahr einer Tiefentladung mit einer daraus resultierenden Beschädigung des Akkumulators.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine
Stromversorgung der eingangs genannten Art eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik anzugeben. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine
Stromversorgung gemäß Anspruchs 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 10. Weiterentwicklungen finden sich in den
Unteransprüchen . Die einfache Lösung sieht vor, dass ein zweiter Ausgang des Leistungsteils über eine Strommessvorrichtung geführt ist, dass an dem zweiten Ausgang ein Akkumulator angeschlossen ist und dass ein mittels Strommessvorrichtung gemessener
Ladestrom oder Entladestrom des Akkumulators durch Steuern der Ausgangsgleichspannung eingestellt ist. Dadurch ist der
Ladestrom bzw. Entladestrom des Akkumulators auch ohne eigene USV-Baugruppe bestimmbar. Der Akkumulator und die zu
versorgende Last sind an nur einen Leistungsteil
angeschlossen .
Der wesentliche Unterschied zu bekannten Stromversorgungen liegt darin, dass für den Akkumulator keine eigene
Ausgangsspannung geregelt wird. Es wird die ohnedies
vorhandene Ausgangsgleichspannung zur Versorgung einer Last variiert, um damit den Ladestrom oder Entladestrom des Akkumulators einzustellen bzw. einem vorgegebenen Wert nachzuregeln .
Beim Laden wird der Ladestrom mittels Strommessvorrichtung gemessen und die Ausgangsgleichspannung in der Weise
verändert, dass der Ladestrom einem vorgegebenen Wert
entspricht. Bedingt durch einen Innenwiderstand des Akkumulators ergibt sich eine Stromkennlinie für den
Ladestrom. Dies erlaubt eine genaue Regelung des Ladestromes durch Variation der Ausgangsspannung. Dabei schwankt die Lastspannung mit der Akkumulator-Ladespannung, was aber aufgrund der Toleranzen der angeschlossenen Last keine Rolle spielt. Die Anordnung erspart eine Ladereglerschaltung und erlaubt dennoch eine kontrollierte Ladung des Akkumulators.
Im einfachsten Fall ist die Ausgangsgleichspannung über die Strommessvorrichtung an den zweiten Ausgang geführt. Als Ladekreis wird also von einer Ausgangsklemme der
Stromversorgung mittels Strommessvorrichtung der zweite
Ausgang abgeleitet. Alternativ dazu kann der Ladekreis auch schon vor der Ausgangsklemme abzweigen oder eine eigene sekundärseitige Hilfswicklung eines Transformators umfassen. Im letzteren Fall besteht eine fixe Kopplung zwischen dieser Hilfswicklung und einer sekundärseitigen Hauptwicklung. Es ist also auch hier beispielsweise nur ein Stellglied und ein Pulsweitenmodulator erforderlich .
Vorteilhafterweise ist die Last mittels eines ersten
Schalters oder einer ersten Diode an den Akkumulator
geschaltet. Diese erste Diode bzw. dieser erste Schalter verhindern auf einfache Weise, dass der Ladestrom direkt in die Last weiter fließt. Der erste Schalter wird erst im
Pufferbetrieb eingeschaltet.
Von Vorteil ist es, den Schalter als Leistungs-MOSFET
auszubilden .
Eine einfache Ausprägung sieht vor, dass die
Strommessvorrichtung einen Shuntwiderstand umfasst und mit der Steuerung verbunden ist. Alternativ dazu ist die
Strommessvorrichtung als Stromwandler ausgebildet und mit der Steuerung verbunden. Um den Akkumulator vor Tiefentladung zu schützen, ist in einer weiteren Ausprägung ein zweiter Schalter in der
Akkumulatorleitung vorgesehen. Mittels einer sekundärseitigen Elektronik der Stromversorgung wird eine drohende
Tiefentladung erkannt und der zweite Schalter mittels
Steuerung abgeschaltet. Dabei wird die sekundärseitige
Elektronik im Notbetrieb weiterhin von dem Akkumulator über den Lastkreis und die Ausgangsspannungsklemmen versorgt. Eine weitere Verbesserung sieht vor, dass in einer
Ladestromleitung, über die der Akkumulator aufgeladen wird, ein weiterer Schalter oder eine zweite Diode angeordnet ist. Im Pufferbetrieb verhindert der weitere Schalter durch
Abschaltung mittels Steuerung bzw. die zweite Diode durch Sperrung, dass Energie aus dem Akkumulator in die
Stromversorgung zurückfließt. Der gesamte Strom fließt somit aus dem Akkumulator in die Last. Dies ist vor allem dann von Bedeutung, wenn der Akkumulator für eine bestimmte Zeit nicht mit einer Spannungsquelle versehen werden soll. Wenn
beispielsweise eine Ladevorschrift eine völlige Wegschaltung von der Stromversorgung notwendig macht, wird in einem Fall mittels Steuerung der weitere Schalter abgeschaltet. Im anderen Fall wird mittel Steuerung die Ausgangsspannung geringfügig abgesenkt und die zweite Diode koppelt den
Akkumulator von der Stromversorgung ab.
Vorteilhafterweise umfasst die Stromversorgung einen
MikroController. Dieser ist in einfacher Weise zur
Durchführung der Steueraufgaben eingerichtet.
Ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen
Stromversorgung sieht vor, dass mittels Steuerung für eine vorgegebene Dauer eine Absenkung der Ausgangsgleichspannung erfolgt, sodass für diese vorgegebene Dauer die Last mittels Akkumulator versorgt wird. Dies dient beispielsweise der
Feststellung der Restlebenddauer des Akkumulators oder der Ladestandsermittlung. Des Weiteren werden damit gewolltes Pulsladen und kurze Entladezyklen zur Verlängerung der
Lebensdauer realisiert. Dies ist insbesondere bei Lithium- Ionen-Akkumulatoren von Bedeutung, da diese Akkumulatoren bei längerem Standby-Betrieb ohne Entladung defekt werden.
Interne chemische Reaktionen können nur durch gelegentliche größere Stromflüsse verhindert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen in schematischer Darstellung:
Fig. 1 Basisschaltung
Fig. 2 Schaltung mit erster Diode
Fig. 3 Schaltung mit erster und zweiter Diode
Fig. 4 Schaltung mit Tiefentladeschutz
Fig. 5 Schaltung mit erster Diode und zusätzlichem zweiten
Schalter
Fig. 6 Schaltung mit Tiefentladeschutz und zusätzlichem
zweiten Schalter
Fig. 7 Schaltung mit Tiefentladeschutz , zusätzlichem
zweiten Schalter und überbrückter zweiten Diode
Fig. 8 Schaltung mit Schalter zur Trennung des Akkumulators
Fig. 9 Spannungsverläufe Die in Fig. 1 dargestellte Stromversorgung umfasst einen Leistungsteil 1 und eine Steuerung 5. Ein Wandler 2 des
Leistungsteils 1 weist eine Primärseite P auf, welche an ein Versorgungsnetz anschließbar ist. An einem ersten Ausgang OUT1 einer Sekundärseite S des Wandlers 2 liegt eine auf ein Bezugspotenzial G bezogene Ausgangsgleichspannung UL an. An diese ist eine Last 3 angeschlossen.
Erfindungsgemäß wird die Ausgangsgleichspannung UL über eine Strommessvorrichtung an einen zweiten Ausgang OUT2 geführt. In Fig. 1 umfasst diese Strommessvorrichtung einen Shuntwiderstand Rl . Eine Alternative dazu bildet ein
Stromwandler. Der Ladestrom durch Erfassung des
Spannungsabfalls am Shuntwiderstand Rl mittels einer
Ladestrom-Messeinheit 5a der Steuerung 5 gemessen, in Fig. durch gepunktete Pfeile angedeutet. Ebenso wird die
Ausgangsgleichspannung UL laufend mittels einer
Ausgangsspannungs-Messeinheit 5b der Steuerung 5 gemessen. Zwischen zweitem Ausgang OUT2 und dem Bezugspotenzial G ist ein Akkumulator 4 angeschaltet. Die Akkumulatorspannung UA wird mittels einer Akkumulatorspannungs-Messeinheit 5c der Steuerung 5 gemessen. Um einen gewünschten Ladestrom IL oder Entladestrom einzustellen, wird die Ausgangsgleichspannung UL mittels Steuerung 5 beeinflusst. Die Steuerung 5 umfasst dazu eine Beeinflussungseinheit 5d, welche einem
Ausgangsspannungsregler der Stromversorgung entsprechende Steuersignale übermittelt. Beispielsweise wird mittels Steuerung 5 dem
Ausgangsspannungsregler ein erhöhter Sollwert vorgegeben, wenn ein Abfallen des Ladestromes IL erkannt wird. Steigt der Ladestrom IL hingegen an, weil zum Beispiel die Last 3 weniger Strom aufnimmt, wird dem Ausgangspannungsregler ein abgesenkter Sollwert vorgegeben.
Damit ist eine einfache Regelung realisiert, wobei über die Beeinflussung des Ausgangsspannungsreglers der Ladestrom IL auf einen gewünschten Wert geregelt wird. Im Falle einer gewünschten Entladung des Akkumulators 4 wird die Ausgangsgleichspannung mittels Steuerung 5 soweit abgesenkt, dass der gewünschte Entladestrom aus dem
Akkumulator 4 in die Last 3 fließt. Mit der vorgestellten Lösung können auch mehrere
Akkumulatoren 4 betrieben werden. Über mehrere
Strommessvorrichtungen und weitere Ausgängen sind dabei unterschiedliche Lade- und Entlade-Charakteristiken pro
Akkumulator 4 realisierbar.
Die Anordnung in Fig. 2 entspricht im Wesentlichen jener in Fig. 1 mit dem Unterschied, dass zwischen den zweiten Ausgang OUT2 und der Last 3 eine erste Diode Dl angeordnet ist. Die Anode ist mit dem zweiten Ausgang OUT2 verbunden, sodass Strom aus dem Akkumulator 4 in die Last 3 fließt, sobald die Ausgangsgleichspannung UL unter die Akkumulatorspannung UA abfällt.
Eine zweite Diode D2 ist in Fig. 3 in der Ladestromleitung des Akkumulators 4 angeordnet, wobei diese für einen
Ladestrom IL vom Leistungsteil 1 in den Akkumulator 4
durchlässig ist und in die Gegenrichtung sperrt. Auf diese
Weise wird verhindert, dass im Pufferbetrieb Energie aus dem Akkumulator 4 in den Leistungsteil 1 bzw. durch die
Strommessvorrichtung zurückfließt. Als Alternative zu der zweiten Diode D2 ist ein weiterer Schalter einsetzbar, der von der Steuerung im Pufferbetrieb abgeschaltet wird und dabei die Ladestromleitung unterbricht.
Eine Schaltungsvariante zur Verhinderung einer Tiefentladung des Akkumulators 4 ist in Fig. 4 dargestellt. Die in den Fig. 2 und 3 eingezeichnete erste Diode ist hier durch einen ersten Schalter Sl ersetzt, welcher mittels Steuerung 5 angesteuert ist. Wenn die Versorgung durch den Leistungsteil 1 entfällt, wird die Steuerung 5 mittels Akkumulator 4 weiter versorgt. Der erste Schalter Sl ist somit auch bei
abgeschaltetem Leistungsteil 1 mittels Steuerung 5
ansteuerbar. Sobald im Pufferbetrieb die Akkumulatorspannung UA einen unzulässigen Wert erreicht und die Gefahr einer Tiefentladung gegeben ist, schaltet die Steuerung 5 den ersten Schalter Sl ab und unterbricht dabei die Verbindung zwischen Akkumulator 4 und Last 3. Eine andere Schaltungsvariante mit Tiefentladeschutz ist in Fig. 5 dargestellt. Dabei ist anstelle eines ersten Schalters Sl wieder eine erste Diode Dl angeordnet und unmittelbar vor dem Akkumulator 4 ist ein zweiter Schalter S2 vorgesehen, angesteuert mittels Steuerung 5. Zusätzlich ist vom ersten Ausgang OUT1 eine Versorgung V für die Steuerung 5
vorgesehen .
Im Pufferbetrieb wird gegebenenfalls durch Abschalten des zweiten Schalters S2 der Akkumulator 4 stromlos geschaltet und somit gegen Tiefentladung geschützt.
Die in Fig. 6 dargestellte Schaltungsvariante entspricht im Wesentlichen jener in Fig. 5, allerdings ist die erste Diode Dl durch einen mittels Steuerung 5 ansteuerbaren ersten
Schalter Sl ersetzt.
Die in Fig. 7 dargestellte Schaltung entspricht im
Wesentlichen jener der in Fig. 6., jedoch ist hier die zweite Diode D2 überbrückt. Ein geöffneter erster Schalter Sl und geschlossener zweiter Schalter S2 bietet die Möglichkeit zur gezielten Akkuladung und Entladung durch Variation der Ausgangsspannung am ersten Ausgang OUT1. Eine solche
Akkukonditionierung setzt optimierte Lade- und Entladeimpulse zur Lebensdauererweiterung des Akkumulators 4. Der
tatsächliche Akkumulatorstrom wird dabei über die
Strommessvorrichtung gemessen. Im Pufferbetrieb kann der erste Schalter Sl geschlossen werden, um die
Strommessvorrichtung zu entlasten. Auch diese Schaltung bietet einen Tiefentladeschutz , indem der zweite Schalter S2 geöffnet wird.
Eine weitere Schaltungsvariante mit einem zweiten Schalter S2 zum Schutz vor Tiefentladung ist in Fig. 8 dargestellt.
Zusätzlich ist ein Hilfsschalter SH angeordnet, der eine vollständige Trennung der Steuerung 5 vom Akkumulator 4 ermöglicht. Damit wird erreicht, dass auch während einer längeren Betriebsunterbrechung keine Entladung des Akkumulators 4 durch Spannungsteiler der
Akkumulatorspannungs-Messeinheit 5c erfolgt. Der Akkumulator 4 wird also von allen möglichen Verbrauchern frei geschaltet.
Beispielhafte Verläufe der Ausgangsgleichspannung
(=Lastspannung) UL, der Akkumulatorspannung UA und des
Ladestromes IL über der Zeit t sind in Fig. 9 dargestellt. In einer ersten Phase wird der Akkumulator 4 mit einem konstanten Ladestrom IL aufgeladen. Die
Ausgangsgleichspannung UL liegt dabei geringfügig über der Akkumulatorspannung UA. Die Differenz ist durch den
Spannungsabfall AU an der Strommessvorrichtung gegeben.
Sobald eine Ladeschlussspannung ULs des Akkumulators 4 erreicht ist, stoppt der Ladestromfluss . Die
Akkumulatorspannung UA entspricht in weiterer Folge der
Ausgangsgleichspannung UL. Um Selbstentladungsvorgänge auszugleichen ist es in der Regel notwendig, den Akkumulator 4 auch ohne zwischenzeitlichen Pufferbetrieb in zeitlichen Abständen nachzuladen. Während einer Nachladedauer tN wird zu diesem Zweck die Ausgangsgleichspannung UL angehoben, um einen Ladestrom IL hervorzurufen.
Manchmal kann es auch ohne Pufferbetrieb erforderlich sein, in zeitlichen Abständen eine kurzzeitige Entladung der
Akkumulators 4 durchzuführen. Erforderlich ist dies
beispielsweise bei Lithium-Ionen-Akkumulatoren oder zur
Ermittlung einer Restlebensdauer oder eines Ladezustands. Dazu wird die Ausgangsgleichspannung UL nicht angehoben, sondern unter die Akkumulatorspannung UA abgesenkt. Es ergibt sich dann ein Stromfluss aus dem Akkumulator 4 durch den Lastkreis .
Um eine Aussage über die Restlebensdauer des Akkumulators machen zu können, wird der Spannungsverlauf während der Belastung geprüft. Dazu wird in der Regel in vorgegebenen Zeitabständen eine Prüflast an den Akkumulator geschaltet und eine kurzzeitige Belastung herbeigeführt oder der gerade fließende Laststrom als Belastung genutzt.

Claims

Patentansprüche
1. Stromversorgung, eine Steuerung (5) und einen
Leistungsteil (1) umfassend, wobei an einem ersten Ausgang (OUT1) des Leistungsteils (1) eine Ausgangsgleichspannung (UL) anliegt, an welche eine Last (3) mit variablem
Stromverbrauch anschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Ausgang (OUT2) des Leistungsteils (l)über eine Strommessvorrichtung geführt ist, dass an dem zweiten Ausgang (OUT2) ein Akkumulator (4) angeschlossen ist und dass ein mittels Strommessvorrichtung gemessener Ladestrom (IL) oder Entladestrom des Akkumulators (4) durch Steuern der Ausgangsgleichspannung (UL) eingestellt ist.
2. Stromversorgung nasch Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass die Ausgangsgleichspannung (UL) über die Strommessvorrichtung an den zweiten Ausgang (OUT2) geführt ist.
3. Stromversorgung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Last (3) mittels eines ersten Schalters (Sl) oder einer ersten Diode (Dl) an den
Akkumulator (4) geschaltet ist.
4. Stromversorgung nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, dass der Schalter (Sl) als Leistungs- MOSFET ausgebildet ist.
5. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommessvorrichtung einen
Shuntwiderstand (Rl) umfasst und mit der Steuerung (5) verbunden ist.
6. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Strommessvorrichtung als
Stromwandler ausgebildet ist und mit der Steuerung (5) verbunden ist.
7. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichne , dass in Serie mit dem Akkumulator (4) ein zweiter Schalter (S2) angeordnet ist, welcher zur
Verhinderung einer Tiefentladung des Akkumulators (4) mittels Steuerung (5) angesteuert ist.
8. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichne , dass in einer Ladestromleitung des
Akkumulators (4) ein weiterer Schalter oder eine zweite Diode (D2) angeordnet ist.
9. Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikrocontroller zur Durchführung der Steueraufgaben vorgesehen ist.
10. Verfahren zum Betreiben einer Stromversorgung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Steuerung (5) für eine vorgegebene Dauer eine
Absenkung der Ausgangsgleichspannung (UL) erfolgt, sodass für diese vorgegebene Dauer die Last (3) mittels Akkumulator (4) versorgt wird.
EP11720071.7A 2010-06-01 2011-05-05 Stromversorgung und verfahren zum betreiben der stromversorgung Ceased EP2577838A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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