WO2024033523A1 - Verfahren zum aufladen eines energiespeichers eines feldgerätes und feldgerät zur durchführung des verfahrens - Google Patents

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WO2024033523A1
WO2024033523A1 PCT/EP2023/072294 EP2023072294W WO2024033523A1 WO 2024033523 A1 WO2024033523 A1 WO 2024033523A1 EP 2023072294 W EP2023072294 W EP 2023072294W WO 2024033523 A1 WO2024033523 A1 WO 2024033523A1
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WO
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charging current
energy storage
charging
voltage
field device
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Application number
PCT/EP2023/072294
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French (fr)
Inventor
Marius Isenmann
Patrick MOSER
Original Assignee
Vega Grieshaber Kg
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J7/34—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering
    • H02J7/35—Parallel operation in networks using both storage and other dc sources, e.g. providing buffering with light sensitive cells
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02J7/007—Regulation of charging or discharging current or voltage
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    • H02J7/007182—Regulation of charging or discharging current or voltage the cycle being controlled or terminated in response to electric parameters in response to battery voltage

Definitions

  • the invention relates to a method for charging an energy storage device of a field device with at least one charging current source and a control unit, wherein the charging current source applies a charging current to the energy storage device of the field device.
  • the invention further relates to a field device with a rechargeable energy storage device, at least one charging current source and a control unit, the field device being designed to carry out the method.
  • Field devices of the type mentioned are in particular self-sufficient sensors that are designed for level measurement, limit level measurement, interface measurement and the measurement of flow rates of liquids and bulk solids as well as for pressure measurement of liquids and gases. They can meet the relevant safety requirements in order to be able to be operated in EX areas.
  • the field device has an electrical energy storage device that can be charged using a charging current source that is part of the field device or at least connected to the field device.
  • the possible service life of such a field device depends in particular on the service life of the energy storage device used.
  • the object of the invention is therefore to propose a method and a field device with which the service life of a field device can be increased.
  • the energy storage of the field device is an accumulator.
  • the battery is preferably charged to a maximum of 80% of its full charging capacity, which corresponds to optimal charging. It goes without saying that another value that does not correspond exactly to 80% of the full charging capacity can also be viewed as optimal charging. For example, 75% or 85% or 90% of the full charging capacity can also represent optimal charging within the meaning of the present application.
  • the field device has several different charging current sources, the control unit specifying, taking into account prioritization, which charging current source or which combination of charging current sources the energy storage of the field device supplied with a charging current.
  • the charging current sources are designed in such a way that they simultaneously provide the charging current alone or in combination with one or more other charging current sources.
  • the field device has at least one battery, a wired interface, such as a USB interface, and a solar cell as charging current sources.
  • the battery is preferably replaceable and can be replaced at regular maintenance intervals.
  • the charging current is only applied to the battery as a charging current source if no other charging current source is available ready for use.
  • the energy drawn from the battery is measured so that the battery can be replaced before the energy is completely used up.
  • the charging current is always applied by the solar cell as a charging current source when charging the energy storage is possible.
  • the solar cell is therefore always selected as a charging current source when the solar cell generates a suitable charging current, which, however, depends on the fluctuating and unpredictable lighting conditions.
  • the energy storage device is charged to preferably 80%, and this value can be set variably.
  • the charging current can be supplied by the wired interface as a charging current source if the wired interface is connected to a connected to an external control device, whereby the energy storage device is preferably charged to more than 80%.
  • the wired interface is connected to an external operating device, for example, for parameterization of the field device, for commissioning (initial setup) of the field device and for tests or updates.
  • preferred charging of more than 80% takes place so that after removing the external operating device there is still enough energy available to complete the initiated process and the upcoming measurement routine. This also ensures that the battery is not needed as a charging current source for an additional period of time, which increases the running time of the device.
  • the rather rare process of charging over 80% has little or no impact on the lifespan of the energy storage device.
  • a selected charging current source cannot generate the required electrical energy to at least adequately or optimally charge the energy storage of the field device, the maximum possible electrical energy is taken from the selected charging current source to charge the energy storage of the field device and to further charge the energy storage of the field device of the remaining charging current sources selected.
  • the selection of the charging current source and thus the prioritization can also be done manually.
  • automatic prioritization can be done by switching off the charging current sources that are not required (in particular, turn off the IC, open the MOSFET or switch).
  • the charging current source that currently supplies the highest charging voltage can also be selected, for which suitable diodes only allow the higher voltage to pass in order to relieve the comparatively lower voltage.
  • the charging of the energy storage of the field device takes place as a function of the time of the (active) operating times of the field device, with the charging of the energy storage preferably taking place during a period of time between two (active) operating times of the field device Field device is located, this period preferably being used for as long as possible to charge the energy storage becomes.
  • the accumulator is preferably supplied with the lowest possible charging current that is required to charge the accumulator during the time available. For example, if the field device is a measuring device and is measured at regular intervals of 12 hours, charging takes place during the 12-hour rest phase of the field device, which allows the energy storage device to be charged gently. The charging current is reduced so that the rest phase is optimally used to charge the energy storage device.
  • gentle charging of the energy storage means charging with the lowest possible charging current. Regardless of the fact that a maximum permissible charging current should not be exceeded, the charging current is kept as low as possible to ensure gentle charging.
  • Automatic or manual prioritization also ensures that the battery is charged with the optimal or maximum possible charging voltage, with charging being carried out as gently as possible.
  • a maximum permissible charging current When charging an energy storage device, a maximum permissible charging current must not be exceeded, whereby the maximum permissible charging current is usually temperature-dependent. The time course of the charging current and its current intensity influence the service life of an energy storage device, in particular the number of possible charging cycles. Experience has shown that the charging current should be set as low as possible, but as high as necessary. In order not to exceed the maximum permissible charging current, current limiters in the form of fuses, passive resistors or active resistors (OPAMP, Semiconductors, MOSFET and the like) are known. The relevant charging current sources usually have a constant charging voltage and generate this to a constant charging current through a connected, variable resistor.
  • the at least one charging current source is connected to a voltage regulator which regulates the charging voltage in such a way that the maximum permissible charging current is not exceeded.
  • the charging current can also be set so that it is as close as possible to the maximum permissible charging current, in particular, corresponds to it. In this way, the lowest possible load on the charging current source can be achieved.
  • the charging voltage is preferably set depending on the current voltage of the energy storage and/or depending on the current charging current. In this way, a very energy-efficient charging of the energy storage is achieved, since the regulation of the charging voltage means that an additional current limitation is not necessary or is present but is not active, since the maximum permissible charging current is not exceeded.
  • the charging current is kept as low as possible.
  • the time period for charging the energy storage device i.e. the time period up to a point in time at which the energy storage device must have a predetermined charge, is known. If this period of time is known, the charging current is regulated in one embodiment by regulating the charging voltage so that it is minimal over the entire period of time.
  • a predeterminable charge of the energy storage is achieved as quickly as possible and thus with a charging current that is as close as possible to the maximum permissible charging current, and from the time this predetermined charge is reached, the charging current is set to the for to reduce the calculated time period to achieve the optimal charging minimum possible charging current.
  • there is a linear "balancing curve" so that the charging voltage in the area under consideration is a constant value greater than the current voltage of the energy storage device. If the energy storage device has a voltage of 2.5 V, for example, the charging circuit generates an output voltage of, for example, 3 V.
  • the output voltage of the charging current source is also increased in the same amount until a target voltage of 3.9 V is reached at the charging current source. If the voltage of the energy storage device reaches a value of the target voltage of 3 .9 V, no further charging current can flow and the final charging voltage has been reached.
  • There is usually an approximately known resistance value between the output of the charging circuit and the energy storage which results in particular from the resistance value of a fuse, a measuring resistor of a current limiter, etc.
  • the voltage of the charging circuit and the voltage of the energy storage are known, the maximum charging current can be determined.
  • switched semiconductor components are preferably used, which, in an advantageous embodiment, have Z diodes (Zener diodes). In this way, a particularly fast and at the same time energy-efficient charging of the energy storage device is achieved.
  • a combination of energy-efficient and gentle charging of the energy storage can be achieved, for example, with the aforementioned specific embodiment if charging is carried out up to a predetermined voltage of the energy storage according to the predetermined adjustment curve and when the predetermined voltage is reached, the charging current is set to the minimum possible charging current with which the optimal charging or a complete charge of the energy storage of the energy storage can be achieved in the remaining period of time.
  • a voltage limiter for which purpose a voltage limiter is provided.
  • a voltage limiter consumes energy even at low voltages of the charging current source, for example in the form of leakage currents, even if the voltage at the energy storage device to be charged is below the maximum voltage to be limited.
  • the voltage limitation is activated first is deactivated when the voltage of the energy storage has exceeded a minimum voltage, and is deactivated when the voltage of the energy storage has fallen below a minimum voltage.
  • the voltage limitation is only activated using suitable Zener diodes from a voltage of, for example, 3.7 V.
  • suitable Zener diodes from a voltage of, for example, 3.7 V.
  • clocking can be avoided by switching on a Zener diode early and using a suitable hysteresis.
  • the voltage limiting circuit described is particularly advantageous for batteries as a charging current source because the energy available is limited. If the charging voltage is regulated by the voltage regulator in such a way that the current limitation remains deactivated, no unnecessary energy is consumed, which has an impact on the service life of the field device. However, if the energy storage device is charged by a charging current source in which there is sufficient or non-critical energy, such as a wired interface or a solar cell, a comparatively higher charging voltage can make sense and losses of electrical energy within the scope of the current limitation can be neglected. Therefore, the use of a voltage regulator and switching on the voltage limiter from a certain voltage value is particularly preferred if a battery is used as the charging current source.
  • the voltage regulator is activated when the voltage of the charging current source has exceeded a minimum voltage.
  • Fig. la, b each shows a field device
  • Fig. lc-f each shows a voltage limiter
  • Fig. 2 shows the charging behavior of an energy storage device in two diagrams.
  • Fig. la shows a schematic representation of a field device 1, which has a consumer in the form of a measuring device 2.
  • a measuring device 2 is, for example, a level measuring device.
  • an energy storage 3 is provided, which in the exemplary embodiment shown is an accumulator.
  • the field device 1 has three charging current sources 4, namely a battery 41, a solar cell 42 and a wired interface 43 in the form of a USB interface.
  • the charging current sources 4 are at least indirectly connected to a control unit 5, which in turn is connected to the energy storage 3 and receives information about the charging voltage.
  • control unit 5 is also connected to a current limiter 6, which transmits the size of the current charging current to the control unit 5.
  • the charging current sources 4 are prioritized controlled by the control unit 3, with predetermined criteria being used to select which of the charging current sources 4 are subjected to a charging current.
  • at least one or more of the following selection criteria is taken into account: a) The charging current is only applied by the battery 41 as a charging current source 4 if no other charging current source 4 is available ready for use. b) The charging current is always applied by the solar cell 42 as a charging current source 4 when charging the energy storage device 3 is possible.
  • the charging current can be applied by the wired interface 43 as a charging current source 4 when the wired interface 43 is connected to an external operating device, with the energy storage 3 preferably being charged to more than 80%.
  • a selected charging current source 4 cannot generate the required electrical energy to at least adequately or optimally charge the energy storage 3 of the field device 1, the maximum possible electrical energy for charging the energy storage 3 of the field device 1 is taken from the selected charging current source 4 and for further charging of the energy storage 3 of the field device 1, one of the remaining charging current sources 4 is selected. This allows the charging voltage 4 to be selected, which enables the energy storage device 3 to be charged as energy-efficiently and/or gently as possible.
  • the charging current sources 4 are each connected to a voltage regulator 71, 72, 73.
  • the voltage regulators 71, 72, 73 are designed as a voltage generating circuit in such a way that, depending on the current voltage of the energy storage device 3 and/or the current charging current, the charging voltage can be set in such a way that the charging current reaches the maximum even without the controlling/regulating intervention by the current limiter 6 Charging current does not exceed.
  • the charging voltage is preferably regulated depending on the temperature, for which purpose the field device 1 has a temperature sensor 8.
  • the field device 1 in the exemplary embodiment shown has a decision maker/comparator 9, which provides charging protection if the voltage at the energy storage device is too low in order to avoid recharging after deep discharge.
  • the field device 1 has one or more further voltage limiters 10, which are connected between the current limiter(s) 6 and the energy storage 3, and a deep discharge protection 11, which prevents charging again after deep discharging. but also ensures that the situation of deep discharging does not occur in the first place.
  • Fig. lb shows an embodiment that is essentially identical to that in Fig. la, in which the charging current sources 4 are, however, first connected to the decision maker/comparator 9 and then to a voltage regulator 74.
  • FIG. 1c - f show different embodiments of a voltage limiter 10, which is activated when the voltage of the energy storage 3 has exceeded a minimum voltage and is deactivated when the voltage of the energy storage 3 has fallen below a minimum voltage.
  • a Zener diode 12 and a controllable switch 13 are connected in parallel to the energy storage 3 to limit the voltage, the controllable switch 13 being connected to a voltage comparator 14.
  • this construction is Partial combination of Zener diode 12, controllable switch 13 and voltage comparator 13 executed in an identical manner twice (framed by dashed lines), which includes a functional backup if one of the first-mentioned component components fails.
  • a resistor 15 and a controllable semiconductor 16 are connected in parallel to the energy storage 3 to limit the voltage, the controllable semiconductor 16 being connected to a voltage comparator 14.
  • the components mentioned are connected in parallel three times in an identical manner in order to maintain functionality in the event of a malfunction.
  • Fig. le shows an embodiment of a voltage limiter 10, in which different component components are provided for voltage limitation.
  • a resistor 15 is connected in parallel to the energy storage 3 together with a controllable semiconductor 16, the controllable semiconductor 16 being connected to a voltage comparator 14.
  • two further identical component combinations are provided, according to which a Zener diode 12 and a controllable switch 13 are connected in parallel to the energy storage 3, the controllable switch being connected to a voltage comparator 14.
  • Fig. le shows an exemplary embodiment that is essentially functionally identical to Fig. lc, with the controllable switches 13 each being connected to a common Zener diode 12.
  • Fig. 2 shows a typical charging behavior of the energy storage in two diagrams 21, 22.
  • Diagram 21 shows the voltage U(t) at the energy storage as a function of time t and diagram 22 shows the charging current I(t) as a function of time t.
  • Ii(t) the voltage at the energy storage device increases slowly.
  • a higher voltage with a constant charging current I i(t) increases the power consumed by the energy storage device, which is why the voltage Ui(t) typically increases more slowly.
  • a charge controller now charges with a constant voltage U2(t), the current would only be limited via the internal resistance of the energy storage device and the charging current would exceed the maximum permissible charging current.
  • a lossy current limitation would be necessary that would limit the charging voltage Uz(t). reduced until the sufficiently low charging current Ii(t), limited by the internal resistance, flows.
  • the at least one current limiting circuit may still be absolutely necessary for reasons of technical explosion protection and adds an additional resistance to the charging circuit.
  • a charging voltage LhCt can be calculated on the voltage regulator, which is selected so that the desired charging current Ii(t) flows.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufladen eines Energiespeichers eines Feldgerätes mit mindestens einer Ladestromquelle und einer Steuereinheit, wobei die Ladestromquelle den Energiespeicher des Feldgerätes mit einem Ladestrom beaufschlagt. Ferner betrifft die Erfindung ein Feldgerät mit einem aufladbaren Energiespeicher, mindestens einer Ladestromquelle und einer Steuereinheit, wobei das Feldgerät zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Feldgerät kann die Standzeit des Feldgerätes erhöht werden.

Description

Verfahren zum Aufladen eines Energiespeichers eines Feldgerätes und Feldgerät zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufladen eines Energiespeichers eines Feldgerätes mit mindestens einer Ladestromquelle und einer Steuereinheit, wobei die Ladestromquelle den Energiespeicher des Feldgerätes mit einem Ladestrom beaufschlagt.
Ferner betrifft die Erfindung ein Feldgerät mit einem aufladbaren Energiespeicher, mindestens einer Ladestromquelle und einer Steuereinheit, wobei das Feldgerät zur Durchführung des Verfahrens ausgebildet ist.
Feldgeräte der angesprochenen Art sind insbesondere autarke Sensoren, die zur Füllstandsmessung, Grenzstandsmessung, Trennschichtmessung und der Messung von Durchflussmengen von Flüssigkeiten und Schüttgut sowie zur Druckmessung von Flüssigkeiten und Gasen ausgebildet sind. Dabei können sie die einschlägigen Sicherheitserfordernisse erfüllen, um im EX-Bereich betrieben werden zu können. Zur Stromversorgung einer Messeinheit besitzt das Feldgerät einen elektrischen Energiespeicher, der mittels einer Ladestromquelle aufladbar ist, die Teil des Feldgerätes oder zumindest mit dem Feldgerät verbunden ist. Die mögliche Standzeit eines solchen Feldgerätes hängt insbesondere von der Lebensdauer des verwendeten Energiespeichers ab. Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und ein Feldgerät vorzuschlagen, womit die Standzeit eines Feldgerätes erhöht werden kann.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und durch das Feldgerät nach Anspruch 10 gelöst. Bevorzugte Ausführungen des Verfahrens und des Feldgerätes werden in den Unteransprüchen angegeben.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Energiespeicher des Feldgerätes ein Akkumulator ist. Zur Verlängerung seiner Lebensdauer wird der Akkumulator in Bezug auf seine vollständige Ladekapazität vorzugsweise zu maximal 80 % aufgeladen, was einer optimalen Aufladung entspricht. Es versteht sich von selbst, dass als eine optimale Aufladung auch ein anderer Wert, der nicht exakt 80 % der vollständigen Ladekapazität entspricht, angesehen werden kann. Bspw. können auch 75 % oder 85 % oder 90 % der vollständigen Ladekapazität eine optimale Aufladung im Sinne der vorliegenden Anmeldung darstellen.
Um die Verfügbarkeit eines ausreichenden Ladestroms während der vorhandenen Ladezeit zu gewährleisten, ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Feldgerät mehrere verschiedene Ladestromquellen aufweist, wobei die Steuereinheit unter Berücksichtigung einer Priorisierung vorgibt, welche Ladestromquelle oder welche Kombination aus Ladestromquellen den Energiespeicher des Feldgerätes mit einem Ladestrom beaufschlagt. Demnach sind die Ladestromquellen derart ausgestaltet, dass sie jeweils alleine oder in Kombination mit einer oder mehreren anderen Ladestromquellen zeitgleich den Ladestrom zur Verfügung stellen. Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass das Feldgerät als Ladestromquellen zumindest eine Batterie, eine kabelgebundene Schnittstelle, wie beispielsweise eine USB-Schnittstelle, und eine Solarzelle aufweist. Die Batterie ist vorzugsweise auswechselbar und lässt sich in regelmäßigen Wartungsintervallen austauschen. Bei der Priorisierung durch die Steuereinheit wird mindestens eine oder mehrere der folgenden Auswahlkriterien berücksichtigt: a) Der Ladestrom wird nur dann von der Batterie als Ladestromquelle beaufschlagt, wenn keine andere Ladestromquelle einsatzbereit zur Verfügung steht. Vorzugsweise wird die aus der Batterie entnommene Energie gemessen, so dass die Batterie ausgetauscht werden kann, bevor die Energie vollständig verbraucht ist. b) Der Ladestrom wird immer dann von der Solarzelle als Ladestromquelle beaufschlagt, wenn eine Aufladung des Energiespeichers möglich ist. Die Solarzelle wird somit immer dann als Ladestromquelle ausgewählt, wenn die Solarzelle einen geeigneten Ladestrom erzeugt, was jedoch von den schwankenden und unvorhersehbaren Lichtverhältnissen abhängig ist. Hierbei wird der Energiespeicher auf vorzugsweise 80 % aufgeladen, wobei dieser Wert variable eingestellt werden kann. c) Der Ladestrom kann von der kabelgebundenen Schnittstelle als Ladestromquelle beaufschlagt werden, wenn die kabelgebundene Schnittstelle mit ei- nem externen Bediengerät verbunden ist, wobei der Energiespeicher vorzugsweise zu mehr als 80 % aufgeladen wird. Eine Verbindung der kabelgebundenen Schnittstelle mit einem externen Bediengerät erfolgt beispielsweise zur Parametrierung des Feldgerätes, zur Inbetriebnahme (Ersteinrichtung) des Feldgerätes und zu Tests oder Updates. Das bevorzugte Aufladen von mehr als 80 % erfolgt in diesem Fall, damit nach dem Entfernen des externen Bediengerätes noch genügend Energie zur Beendigung des angestoßenen Vorgangs und die bevorstehende Messroutine zur Verfügung steht. Auch wird hierdurch sichergestellt, dass die Batterie als Ladestromquelle für eine zusätzliche Zeit nicht benötigt wird, was die Laufzeit des Gerätes erhöht. Der eher seltene Vorgang des über 80 % Aufladens hat keine oder allenfalls geringe Auswirkungen auf die Lebensdauer des Energiespeichers. d) Kann eine ausgewählte Ladestromquelle nicht die erforderliche elektrische Energie aufbringen, um den Energiespeicher des Feldgerätes zumindest ausreichend oder optimal aufzuladen, wird der ausgewählten Ladestromquelle die maximal mögliche elektrische Energie zum Aufladen des Energiespeichers des Feldgerätes entnommen und zum weiteren Aufladen des Energiespeichers des Feldgerätes wird eine der übrigen Ladestromquellen ausgewählt.
Alternativ zu einer automatischen Priorisierung mittels der Steuereinheit kann die Auswahl der Ladestromquelle und somit die Priorisierung auch manuell erfolgen. Die automatische Priorisierung kann im einfachsten Fall durch das Abschalten der nicht benötigten Ladestromquellen erfolgen (insbesondere IC abschalten, MOSFET oder Schalter öffnen). Darüber hinaus kann auch jeweils die Ladestromquelle ausgewählt werden, die momentan die höchste Ladespannung liefert, wozu geeignete Dioden nur die höhere Spannung durchlassen, um die vergleichsweise niedrigere Spannung zu entlasten.
Im Rahmen einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Aufladen des Energiespeichers des Feldgerätes in zeitlicher Abhängigkeit von den (aktiven) Betriebszeiten des Feldgerätes erfolgt, wobei das Aufladen des Energiespeichers vorzugsweise während eines Zeitraums erfolgt, der zwischen zwei (aktiven) Betriebszeiten des Feldgerätes liegt, wobei dieser Zeitraum vorzugsweise so lang wie möglich zum Aufladen des Energiespeichers ausgenutzt wird. Mit anderen Worten, der Akkumulator wird vorzugsweise mit dem geringstmöglichen Ladestrom beaufschlagt, der benötigt wird, um den Akkumulator während der zur Verfügung stehenden Zeit aufzuladen. Ist das Feldgerät beispielsweise ein Messgerät und wird in regelmäßigen Abständen von 12 h gemessen, erfolgt das Aufladen während der 12 stündigen Ruhephase des Feldgerätes, was ein schonendes Aufladen des Energiespeichers erlaubt. Der Ladestrom wird so abgesenkt, dass die Ruhephase optimal zum Laden des Energiespeichers ausgenutzt wird.
Unter einer schonenden Ladung des Energiespeichers soll vorliegend das Aufladen mit einem möglichst geringen Ladestrom verstanden werden. Unabhängig davon, dass ein maximal zulässiger Ladestrom nicht überschritten werden soll, wird daher für eine schonende Ladung der Ladestrom so gering wie möglich gehalten.
Durch die automatische oder manuelle Priorisierung wird auch gewährleistet, dass der Akkumulator mit der optimalen oder maximal möglichen Ladespannung aufgeladen ist, wobei die Aufladung so schonend wie möglich durchgeführt wird.
Da auch unerwartete Ereignisse, wie beispielsweise externe Trigger, insbesondere ein Tastendruck durch einen Kunde oder ein Signal eines anderen Gerätes, die Ruhephase unterbrechen können, ist es vorteilhaft, zu Beginn der Ruhephase den Energiespeicher schnellstmöglich zu laden. Sobald ausreichend Energie im Energiespeicher für eine oder mehrere Aktivitäten des Gerätes, insbesondere zum Messen und/oder zum Datenversandt vorhanden ist, wird der Ladestrom reduziert, damit der Akkumulator wie zuvor beschrieben so schonend wie möglich aufgeladen wird.
Beim Aufladen eines Energiespeichers darf ein maximal zulässiger Ladestrom nicht überschritten werden, wobei der maximal zulässige Ladestrom in der Regel temperaturabhängig ist. Der zeitliche Verlauf des Ladestroms und dessen Stromstärke beeinflusst die Lebensdauer eines Energiespeichers, insbesondere die Anzahl der möglichen Ladezyklen. Erfahrungsgemäß ist der Ladestrom so gering wie möglich, aber so groß wie nötig einzustellen. Um den maximal zulässigen Ladestrom nicht zu überschreiten, sind bei bekannten Feldgeräten Strombegrenzer in Form von Schmelzsicherungen, passiven Widerständen oder aktiven Widerständen (OPAMP, Halbleiter, MOSFET und dgl.) bekannt. Die einschlägigen Ladestromquellen besitzen üblicherweise eine konstante Ladespannung und erzeugen diese durch einen zugeschalteten, variablen Widerstand auf einen konstanten Ladestrom. Bei einem niedrigen Spannungsniveau des aufzuladenden Energiespeichers führt die Differenz der Spannungen zwischen der Ladestromquelle und dem Energiespeicher mitunter dazu, dass die Strom begrenzung aktiviert wird, wodurch insbesondere in dem Widerstand elektrische Energie in unnötiger Weise in Wärme umgewandelt wird und mithin verloren geht. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass die mindestens eine Ladestromquelle mit einem Spannungsregler verbunden ist, der die Ladespannung derart regelt, dass der maximal zulässige Ladestrom nicht überschritten wird. In einer Ausgestaltung kann der Ladestrom aber auch so eingestellt werden, dass er möglichst nahe an dem maximal zulässigen Ladestrom liegt, insbesondere, diesem entspricht. So kann eine möglichst geringe Belastung der Ladestromquelle erreicht werden. Dabei wird die Ladespannung vorzugsweise in Abhängigkeit der momentanen Spannung des Energiespeichers und/oder in Abhängigkeit des momentanen Ladestroms eingestellt. Auf diese Weise wird eine sehr energieeffiziente Ladung des Energiespeichers erreicht, da durch die Regelung der Ladespannung eine zusätzliche Strombegrenzung nicht notwendig bzw. vorhanden aber nicht aktiv ist, da der maximal zulässige Ladestrom nicht überschritten wird.
Auch in diesem Fall kann eine besonders schonende Aufladung des Energiespeichers erreicht werden, wenn der Ladestrom so gering wir möglich gehalten wird. Dies ist insbesondere dann möglich, wenn Zeitdauer für eine Ladung des Energiespeichers, d.h. die Zeitdauer bis zu einem Zeitpunkt, zu dem der Energiespeicher eine vorbestimmte Ladung aufweisen muss, bekannt ist. Wenn diese Zeitdauer bekannt ist, wird der Ladestrom in einer Ausgestaltung durch eine Regelung der Ladespannung so geregelt, dass er über die gesamte Zeitdauer minimal ist.
Alternativ kann, wie weiter oben beschrieben, vorgesehen sein, dass eine vorgebbare Ladung des Energiespeichers möglichst schnell und damit mit einem Ladestrom, der möglichst nah an dem maximal zulässigen Ladestrom liegt, erreicht wird, und ab dem Erreichen dieser vorgegebenen Ladung der Ladestrom auf den für die berechnete Zeitdauer zum Erreichen der optimalen Aufladung minimal möglichen Ladestrom zu reduzieren. In einer konkreten Ausführungsform liegt eine lineare „Abgleichkurve" vor, so dass die Ladespannung im betrachteten Bereich um einen konstanten Wert größer ist, als die momentane Spannung des Energiespeichers. Sollte der Energiespeicher beispielsweise eine Spannung von 2,5 V aufweisen, so erzeugt die Ladeschaltung eine Ausgangsspannung von beispielweise 3 V. Mit jeder Erhöhung der momentanen Spannung des Energiespeichers, wird auch die Ausgangsspannung der Ladestromquelle betragsgleich erhöht, bis an der Ladestromquelle eine Zielspannung von 3,9 V erreicht ist. Erreicht die Spannung des Energiespeichers einen Wert der Zielspannung von 3,9 V, kann kein weiterer Ladestrom mehr fließen und die Ladeendspannung ist erreicht. Meist ist zwischen dem Ausgang der Ladeschaltung und des Energiespeichers ein in etwa bekannter Widerstandswert, der sich insbesondere aus dem Widerstandswert einer Sicherung, einem Messwiderstand einer Strombegrenzung usw. ergibt. Da die Spannung der Ladeschaltung und die Spannung des Energiespeichers bekannt sind, kann der maximale Ladestrom bestimmt werden. Zur Spannungsbegrenzung werden vorzugsweise geschaltete Halbleiterbauelemente verwendet, die im Rahmen einer vorteilhaften Ausführungsform Z- Dioden (Zener-Dioden) aufweisen. Auf diese Weise wird eine besonders schnelle und gleichzeitig energieeffiziente Ladung des Energiespeichers erreicht.
Eine Kombination aus einer energieeffizienten und schonenden Ladung des Energiespeichers kann bspw. mit der vorgenannten konkreten Ausführungsform erreicht werden, wenn bis zu einer vorgegebenen Spannung des Energiespeichers gemäß der vorgegebenen Abgleichkurve geladen wird und bei Erreichen der vorgegebenen Spannung der Ladestrom auf den minimal möglichen Ladestrom eingestellt wird mit dem in der verbleibenden Zeitdauer die optimale Aufladung oder eine vollständige Ladung des Energiespeichers des Energiespeichers erreicht werden kann.
Unabhängig von der Spannungsregelung erfolgt im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung auch eine Spannungsbegrenzung, wozu ein Spannungsbegrenzer vorgesehen ist. Ein Spannungsbegrenzer verbraucht auch bei geringen Spannungen der Ladestromquelle Energie, beispielsweise in Form von Leckströmen, auch wenn die Spannung am aufzuladenden Energiespeicher unterhalb der zu begrenzenden Maximalspannung liegt. Um in diesem Fall einen unnötigen Verlust an Energie zu vermeiden, ist nach einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Spannungsbegrenzung erst aktiviert wird, wenn die Spannung des Energiespeichers eine Mindestspannung überschritten hat, und deaktiviert wird, wenn die Spannung des Energiespeichers eine Mindestspannung unterschritten hat. Ist beispielsweise am Energiespeicher eine maximale Spannung von 4,0 V erlaubt, wird die Spannungsbegrenzung mittels geeigneter Z-Dioden erst ab einer Spannung von beispielsweise 3,7 V aktiviert. Hierdurch fließen kleine Verlustströme durch die Spannungsbegrenzung erst oberhalb von einer Ladespannung von 3,7 V. Ein periodisches Aktivieren und Deaktivieren (sog. Takten) kann durch das frühe Hinzuschalten einer Z-Diode und eine geeignete Hysterese vermieden werden.
Die beschriebene Schaltung zur Spannungsbegrenzung ist insbesondere für Batterien als Ladestromquelle vorteilhaft, weil die zur Verfügung stehende Energie begrenzt ist. Wird die Ladespannung durch die den Spannungsregler so geregelt, dass die Strombegrenzung deaktiviert bleibt, wird keine unnötige Energie verbraucht, was sich zu Gunsten der Standzeit des Feldgerätes auswirkt. Wird der Energiespeicher indes durch eine Ladestromquelle aufgeladen, bei der Energie in ausreichendem bzw. unkritischem Maß vorliegt, wie beispielsweise bei einer kabelgebundenen Schnittstelle oder einer Solarzelle, kann eine vergleichsweise höhere Ladespannung sinnvoll sein und Verluste elektrischer Energie im Rahmen der Strombegrenzung können vernachlässigt werden. Von daher ist der Einsatz eines Spannungsreglers und das Zuschalten der Spannungsbegrenzung ab einem bestimmten Spannungswert besonders bevorzugt, wenn als Ladestromquelle eine Batterie verwendet wird.
Schließlich ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Spannungsregler aktiviert wird, wenn die Spannung der Ladestromquelle eine Mindestspannung überschritten hat.
Konkrete Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend mit Bezug auf die Figuren erläutert. Es zeigen:
Fig. la, b jeweils ein Feldgerät,
Fig. lc-f jeweils einen Spannungsbegrenzer und
Fig. 2 das Ladeverhalten eines Energiespeichers in zwei Diagrammen. Fig. la zeigt in schematischer Darstellung ein Feldgerät 1, das einen Verbraucher in Form einer Messeinrichtung 2 aufweist. Eine solche Messeinrichtung 2 ist beispielweise ein Füllstandmessgerät. Zur Energieversorgung der Messeinrichtung 2 ist ein Energiespeicher 3 vorgesehen, der im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Akkumulator ist. Zum Aufladen des Energiespeichers 3 besitzt das Feldgerät 1 drei Ladestromquellen 4, nämlich eine Batterie 41, eine Solarzelle 42 und eine kabelgebundene Schnittstelle 43 in Form einer USB-Schnittstelle. Die Ladestromquellen 4 sind zumindest mittelbar mit einer Steuereinheit 5 verbunden, die wiederum mit dem Energiespeicher 3 verbunden ist und Informationen zur Ladespannung erhält. Ferner ist die Steuereinheit 5 auch mit einem Strombegrenzer 6 verbunden, der der Steuereinheit 5 die Größe des momentanen Ladestroms übermittelt. Ist beispielsweise aufgrund einer bevorstehenden Messroutine eine Aufladung des Energiespeichers 3 erforderlich, erfolgt eine durch die Steuereinheit 3 gesteuerte Priorisierung der Ladestromquellen 4, wobei anhand vorgegebener Kriterien ausgewählt wird, durch welche der Ladestromquellen 4 ein Ladestrom beaufschlagt wird. Bei der Priorisierung durch die Steuereinheit 5 wird mindestens eine oder mehrere der folgenden Auswahlkriterien berücksichtigt: a) Der Ladestrom wird nur dann von der Batterie 41 als Ladestromquelle 4 beaufschlagt, wenn keine andere Ladestromquelle 4 einsatzbereit zur Verfügung steht. b) Der Ladestrom wird immer dann von der Solarzelle 42 als Ladestromquelle 4 beaufschlagt, wenn eine Aufladung des Energiespeichers 3 möglich ist. c) Der Ladestrom kann von der kabelgebundenen Schnittstelle 43 als Ladestromquelle 4 beaufschlagt werden, wenn die kabelgebundene Schnittstelle 43 mit einem externen Bediengerät verbunden ist, wobei der Energiespeicher 3 vorzugsweise zu mehr als 80 % aufgeladen wird. d) Kann eine ausgewählte Ladestromquelle 4 nicht die erforderliche elektrische Energie aufbringen, um den Energiespeicher 3 des Feldgerätes 1 zumindest ausreichend oder optimal aufzuladen, wird der ausgewählten Ladestromquelle 4 die maximal mögliche elektrische Energie zum Aufladen des Energiespeichers 3 des Feldgerätes 1 entnommen und zum weiteren Aufladen des Energiespeichers 3 des Feldgerätes 1 wird eine der übrigen Ladestromquellen 4 ausgewählt. Hierdurch kann die Ladespannung 4 ausgewählt werden, die eine möglichst energiesparsame und/oder schonende Aufladung des Energiespeichers 3 ermöglicht.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ladestromquellen 4 jeweils mit einem Spannungsregler 71, 72, 73 verbunden. Die Spannungsregler 71, 72, 73 sind vorliegend als Spannungserzeugungsschaltung derart ausgebildet, dass in Abhängigkeit der momentanen Spannung des Energiespeichers 3 und/oder des momentanen Ladestroms die Ladespannung derart einzustellen, dass der Ladestrom auch ohne den steuernden/regelnden Eingriff durch den Strombegrenzer 6 den maximalen Ladestrom nicht übersteigt. Die Regelung der Ladespannung erfolgt vorzugsweise temperaturabhängig, wozu das Feldgerät 1 einen Temperatursensor 8 aufweist.
Als zusätzliche Bauelemente besitzt das Feldgerät 1 im dargestellten Ausführungsbeispiel einen Entscheider/Vergleicher 9, der einen Ladeschutz bei einer zu niedrigen Spannung am Energiespeicher bildet um ein Wiederaufladen nach Tiefentladung zu vermeiden. Darüber hinaus besitzt das Feldgerät 1 einen oder mehrere weitere Spannungsbegrenzer 10, der/die zwischen dem/den Strombegrenzer(n) 6 und dem Energiespeicher 3 geschaltet ist/sind, und einen Tiefenentladungsschutz 11, der verhindert, dass nach dem Tiefentladen erneut geladen wird, sondern gewährleistet, dass es gar nicht erst zur Situation des Tiefentladens kommt.
Fig. lb zeigt ein im Vergleich zu Fig. la im wesentlichen identisches Ausführungsbeispiel, bei dem die Ladestromquellen 4 allerdings zunächst mit dem Entscheider/Vergleicher 9 und anschließend mit einem Spannungsregler 74 verbunden ist.
Die Fig. lc - f zeigen unterschiedliche Ausführungsformen eines Spannungsbegrenzers 10, der jeweils aktiviert wird, wenn die Spannung des Energiespeichers 3 eine Mindestspannung überschritten hat, und deaktiviert wird, wenn die Spannung des Energiespeichers 3 eine Mindestspannung unterschritten hat.
Nach Fig. lc ist zur Spannungsbegrenzung parallel zum Energiespeicher 3 eine Zenerdiode 12 und ein steuerbarer Schalter 13 geschaltet, wobei der steuerbare Schalter 13 mit einem Spannungsvergleicher 14 verbunden ist. Aus Redundanzgründen und zur Erfüllung von etwaigen Sicherheitserfordernissen ist diese Bau- teilkombination aus Zenerdiode 12, Steuerbarem Schalter 13 und Spannungsvergleicher 13 in identischer Weise noch zweifach (strichliniert umrahmt) ausgeführt, was eine Funktionssicherung beinhaltet, sofern einer der zuerst genannten Bauteilkomponenten ausfällt.
Nach Fig. Id ist zur Spannungsbegrenzung parallel zum Energiespeicher 3 ein Widerstand 15 und ein steuerbarer Halbleiter 16 geschaltet, wobei der steuerbare Halbleiter 16 mit einem Spannungsvergleicher 14 verbunden ist. Auch hier sind die genannten Bauteilkomponenten in identischer Weise insgesamt dreifach parallelgeschaltet, um im Störungsfall die Funktionsfähigkeit aufrechtzuerhalten.
Fig. le zeigt eine Ausführung eines Spannungsbegrenzers 10, bei dem unterschiedliche Bauteilkomponenten zur Spannungsbegrenzung vorgesehen sind. Zunächst ist ein Widerstand 15 zusammen mit einem steuerbaren Halbleiter 16 parallel zum Energiespeicher 3 geschaltet, wobei der steuerbare Halbleiter 16 mit einem Spannungsvergleicher 14 verbunden ist. Ferner sind zwei weitere baugleiche Bauteilkombinationen vorgesehen, wonach jeweils eine Zenerdiode 12 und ein steuerbarer Schalter 13 parallel zum Energiespeicher 3 geschaltet ist, wobei der steuerbare Schalter jeweils mit einem Spannungsvergleicher 14 verbunden ist.
Fig. le zeigt ein Ausführungsbeispiel, das im Wesentlichen funktionsgleich zu Fig. lc ist, wobei die steuerbaren Schalter 13 jeweils mit einer gemeinsamen Zenerdiode 12 verbunden sind.
Fig. 2 zeigt in zwei Diagrammen 21, 22 ein typisches Ladeverhalten des Energiespeichers. Diagramm 21 zeigt die Spannung U(t) am Energiespeicher in Abhängigkeit der Zeit t und Diagramm 22 zeigt den Ladestrom I(t) in Abhängigkeit der Zeit t. Unter Annahme eines konstanten Ladestroms Ii(t) nimmt die Spannung am Energiespeicher langsam zu. Eine höhere Spannung bei konstantem Ladestrom I i(t) steigert die aufgenommene Leistung des Energiespeichers, weshalb die Spannung Ui(t) typischerweise immer langsamer zunimmt. Lädt ein Laderegler nun mit einer konstanten Spannung U2(t), würde nur über den Innenwiderstand des Energiespeichers eine Strombegrenzung erfolgen und der Ladestrom würde den maximal zulässigen Ladestrom überschreiten. Daher wäre in diesem Fall eine verlustbehaftete Strombegrenzung notwendig, die die Ladespannung Uz(t) soweit erniedrigt, bis der durch den Innenwiderstand begrenzte ausreichend niedrige Ladestrom Ii(t) fließt. Die mindestens eine Strombegrenzungsschaltung kann aus Gründen des technischen Explosionsschutzes jedoch trotzdem zwingend erforderlich sein und fügt einen zusätzlichen Widerstand in die Ladeschaltung ein. Mit Hilfe dieser bekannten Widerstände oder durch eine Messung lässt sich eine Ladespannung LhCt) am Spannungsregler errechnen, die so gewählt ist, dass der gewünschte Ladestrom Ii(t) fließt.
Bezugszeichenliste
1 Feldgerät
2 Messeinrichtung
3 Energiespeicher Ladestromquelle 1 Batterie 2 Solarzelle
43 kabelgebundene Schnittstelle 5 Steuereinheit
6 Strombegrenzer
71 Spannungsregler
72 Spannungsregler
73 Spannungsregler
8 Temperatursensor
9 Entscheider/Vergleicher
10 Spannungsbegrenzer
11 Tiefenentladungsschutz
12 Zenerdiode
13 steuerbarer Schalter
14 Spannungsvergleicher
15 Widerstand
16 steuerbarer Halbleiter
21 Diagramm
22 Diagramm
Kt) Ladestrom
U(t) Ladespannung t Zeit

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Aufladen eines Energiespeichers (3) eines Feldgerätes (1) mit mindestens einer Ladestromquelle (4) und einer Steuereinheit (5), wobei die Ladestromquelle (4) den Energiespeicher (3) des Feldgerätes (1) mit einem Ladestrom beaufschlagt. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (3) des Feldgerätes (1) ein Akkumulator ist, wobei der Akkumulator zur Verlängerung seiner Lebensdauer in Bezug auf seine vollständige Ladekapazität vorzugsweise zu maximal 80 % aufgeladen wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldgerät (1) mehrere verschiedene Ladestromquellen (4) aufweist, wobei die Steuereinheit (5) unter Berücksichtigung einer Priorisierung vorgibt, welche Ladestromquelle (4) oder welche Kombination aus Ladestromquellen (4) den Energiespeicher (3) des Feldgerätes (1) mit einem Ladestrom beaufschlagt. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldgerät (1) als Ladestromquellen (4) zumindest eine Batterie (41), eine Solarzelle (42) und eine kabelgebundene Schnittstelle (43) aufweist, wobei bei der Priorisierung durch die Steuereinheit (5) mindestens eine oder mehrere der folgenden Auswahlkriterien berücksichtigt wird: a) der Ladestrom wird nur dann von der Batterie (41) als Ladestromquelle (4) beaufschlagt, wenn keine andere Ladestromquelle (4) einsatzbereit zur Verfügung steht; b) der Ladestrom wird immer dann von der Solarzelle (42) als Ladestromquelle (4) beaufschlagt, wenn eine Aufladung des Energiespeichers (3) möglich ist; c) der Ladestrom kann von der kabelgebundenen Schnittstelle (43) als Ladestromquelle (4) beaufschlagt werden, wenn die kabelgebundene Schnittstelle (43) mit einem externen Bediengerät verbunden ist, wobei der Energiespeicher (3) vorzugsweise zu mehr als 80 % aufgeladen wird; d) kann eine ausgewählte Ladestromquelle (4) nicht die erforderliche elektrische Energie aufbringen, um den Energiespeicher (3) des Feldgerätes (1) zumindest ausreichend oder optimal aufzuladen, wird der ausgewählten Ladestromquelle (4) die maximal mögliche elektrische Energie zum Aufladen des Energiespeichers (3) des Feldgerätes (1) entnommen und zum weiteren Aufladen des Energiespeichers (3) des Feldgerätes (1) wird eine der übrigen Ladestromquellen (4) ausgewählt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufladen des Energiespeichers (3) des Feldgerätes (1) in zeitlicher Abhängigkeit von den Betriebszeiten des Feldgerätes (1) erfolgt, wobei das Aufladen des Energiespeichers (3) vorzugsweise während eines Zeitraums erfolgt, der zwischen zwei Betriebszeiten des Feldgerätes liegt, wobei dieser Zeitraum vorzugsweise so lang wie möglich zum Aufladen des Energiespeichers ausgenutzt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Sicherstellung eines ordnungsgemäßen Betriebes der Ladestrom erst nach dem Erreichen einer Mindestenergie im Energiespeicher verringert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ladestromquelle (4) zumindest mittelbar mit einem Spannungsregler (71, 72, 73) verbunden ist, der die Ladespannung derart regelt, dass der maximal zulässige Ladestrom nicht überschritten wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladespannung in Abhängigkeit der momentanen Spannung des Energiespeichers (3) und/oder in Abhängigkeit des momentanen Ladestroms eingestellt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Spannungsbegrenzers (10) eine Spannungsbegrenzung a) aktiviert wird, wenn die Spannung des Energiespeichers (3) eine Mindestspannung überschritten hat, und b) deaktiviert wird, wenn die Spannung des Energiespeichers (3) Ladestromquelle (4) eine Mindestspannung unterschritten hat. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsregler (71, 72, 73) aktiviert wird, wenn die Spannung der Ladestromquelle (41, 42, 43) eine Mindestspannung überschritten hat. Feldgerät mit einem aufladbaren Energiespeicher (3), mindestens einer Ladestromquelle (4) und einer Steuereinheit (5), wobei das Feldgerät (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ausgebildet ist.
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