DE102014201542A1 - Circuit for energy management for a photovoltaic system and method for operating the circuit - Google Patents

Circuit for energy management for a photovoltaic system and method for operating the circuit Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltung (200) für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System (102). Die Schaltung (200) umfasst einen ersten Anschluss (202) zum Verbinden der Schaltung mit dem Fotovoltaik-System und (102) einen zweiten Anschluss (204) zum Verbinden der Schaltung (200) mit dem Fotovoltaik-System (102), eine erste Schalteinrichtung (206), die zwischen dem ersten Anschluss (202) und einem Verbraucheranschluss (208) angeordnet ist, und eine zweite Schalteinrichtung (210), die zwischen dem ersten Anschluss (202) und einem Hilfsknoten (212) angeordnet ist, einen ersten Energiespeicher (214) zum Speichern der von dem Fotovoltaik-System (102) bereitgestellten elektrischen Energie, wobei der erste Energiespeicher (214) zwischen dem Hilfsknoten (212) und dem zweiten Anschluss (204) angeordnet ist, und einen zweiten Energiespeicher (216) zum Speichern der von dem Fotovoltaik-System (102) bereitgestellten elektrischen Energie, wobei der zweite Energiespeicher (216) zwischen dem Verbraucheranschluss (208) und dem zweiten Anschluss (204) angeordnet ist.The invention relates to a circuit (200) for energy management for a photovoltaic system (102). The circuit (200) comprises a first terminal (202) for connecting the circuit to the photovoltaic system and (102) a second terminal (204) for connecting the circuit (200) to the photovoltaic system (102), a first switching device (206), which is arranged between the first terminal (202) and a load terminal (208), and a second switching device (210), which is arranged between the first terminal (202) and an auxiliary node (212), a first energy store ( 214) for storing the electrical energy provided by the photovoltaic system (102), wherein the first energy store (214) is disposed between the auxiliary node (212) and the second terminal (204), and a second energy store (216) for storing the electrical energy provided by the photovoltaic system (102), wherein the second energy store (216) is disposed between the load port (208) and the second port (204).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltung für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System, auf eine entsprechende Schaltung für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System, auf ein entsprechendes Steuergerät sowie auf ein entsprechendes Computerprogrammprodukt.The present invention relates to a method for operating a circuit for energy management for a photovoltaic system, to a corresponding circuit for energy management for a photovoltaic system, to a corresponding control device and to a corresponding computer program product.

Energy-Harvesting im Indoor-Bereich wird immer wichtiger und findet schon heute bei einigen Applikationen Verwendung – insbesondere Fotovoltaik (PV: Photovoltaik) scheint gut geeignet um kleinere Verbraucher mit Energie zu versorgen. In letzter Zeit sind besonders kleine Sensornetzwerke von starkem Interesse, die zukünftig hohe Wachstumsraten versprechen. Bei manchen Sensorapplikationen wird heutzutage schon ein Fotovoltaik-Minimodul zur Energieversorgung eingesetzt. Hierzu wird zumeist ein Energiemanagement verwendet, das als Speicher eine Batterie oder einen Kondensator oder beides verwendet.Indoor energy harvesting is becoming more and more important and is already being used in some applications - especially photovoltaic (PV) photovoltaics seems to be well suited to power smaller consumers. Recently, particularly small sensor networks of high interest, which promise high growth rates in the future. In some sensor applications, a photovoltaic mini-module is already being used today for supplying energy. For this purpose, an energy management is usually used, which uses a battery or a capacitor or both as memory.

Hynek RAISIGEL, Gilles CHABANIS, Isabelle RESSEJAC, Michel TROUILLON beschreiben in “Autonomous Wireless Sensor Node for Building Climate Conditioning Application”, 2010 “Fourth International Conference on Sensor Technologies and Applications” eine Ladungsschaltung für ein Fotovoltaik-Modul mit zumindest zwei Spannungsmessstellen und eine Auslegung auf einen Einstrahlungsgrad auf die Solarzelle.Hynek RAISIGEL, Gilles CHABANIS, Isabelle RESSEJAC and Michel TROUILLON describe a charging circuit for a photovoltaic module with at least two voltage measurement points and a design in the "Autonomous Wireless Sensor Node for Building Climate Conditioning Application", 2010 "Fourth International Conference on Sensor Technologies and Applications" on a degree of irradiation on the solar cell.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Schaltung für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System, eine Ladungsschaltung für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System, ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltung für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System, weiterhin ein Steuergerät, das dieses Verfahren verwendet sowie schließlich ein entsprechendes Computerprogrammprodukt gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, with the approach presented here, a circuit for energy management for a photovoltaic system, a charge circuit for energy management for a photovoltaic system, a method for operating a circuit for energy management for a photovoltaic system, further a control unit, using this method and finally presented a corresponding computer program product according to the main claims. Advantageous embodiments emerge from the respective subclaims and the following description.

Feldbasierte Energiespeicher wie beispielsweise ein kapazitiver Energiespeicher können überproportional mehr Energie bei einer höheren Spannung speichern. Andere Energiespeicher, insbesondere zum Speichern von Energie über einen im Verhältnis längeren Zeitraum, können nur bis zu einer maximal zulässigen Spannung während eines Ladevorgangs belastet werden. Um zwei sich unterscheidende Spannungslevel zu nutzen, kann ein Energiespeicher zuschaltbar und/oder trennbar mit einer Schaltung für ein Energiemanagement verbunden sein. Dabei kann eine entsprechende Schaltung zumindest zwei Schalteinrichtungen aufweisen, um einen entsprechenden Energiespeicher zustandsabhängig zuschaltbar und/oder trennbar mit der Schaltung zu verbinden.Field-based energy storage such as a capacitive energy storage can store disproportionately more energy at a higher voltage. Other energy stores, in particular for storing energy over a relatively longer period of time, can only be charged up to a maximum permissible voltage during a charging process. In order to use two differing voltage levels, an energy store may be connectable and / or separably connected to a circuit for energy management. In this case, a corresponding circuit may have at least two switching devices in order to be able to connect a corresponding energy store in a conditionally switchable and / or separable manner to the circuit.

Es wird eine Schaltung für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System vorgestellt, wobei die Schaltung die folgenden Merkmale aufweist:
einen ersten Anschluss zum Verbinden der Schaltung mit dem Fotovoltaik-System und einen zweiten Anschluss zum Verbinden der Schaltung mit dem Fotovoltaik-System;
eine erste Schalteinrichtung, die zwischen dem ersten Anschluss und einem Verbraucheranschluss angeordnet ist, und eine zweite Schalteinrichtung, die zwischen dem ersten Anschluss und einem Hilfsknoten angeordnet ist;
einen ersten Energiespeicher zum Speichern der von dem Fotovoltaik-System bereitgestellten elektrischen Energie, wobei der erste Energiespeicher zwischen dem Hilfsknoten und dem zweiten Anschluss angeordnet ist; und
einen zweiten Energiespeicher zum Speichern der von dem Fotovoltaik-System bereitgestellten elektrischen Energie, wobei der zweite Energiespeicher zwischen dem Verbraucheranschluss und dem zweiten Anschluss angeordnet ist.A circuit for energy management for a photovoltaic system is presented, the circuit having the following features:
a first terminal for connecting the circuit to the photovoltaic system and a second terminal for connecting the circuit to the photovoltaic system;
a first switching device disposed between the first terminal and a load terminal and a second switching device disposed between the first terminal and an auxiliary node;
a first energy store for storing the electrical energy provided by the photovoltaic system, the first energy store being disposed between the auxiliary node and the second terminal; and
a second energy store for storing the electrical energy provided by the photovoltaic system, wherein the second energy store between the consumer terminal and the second terminal is arranged.

Vorteilhaft kann eine höhere Energieausbeute durch eine höhere Speicherkapazität des zweiten Energiespeichers bei einer höheren Spannung als die maximale Spannung des ersten Energiespeichers erzielt werden. Weiterhin kann vorteilhaft eine vereinfachte Schaltung erreicht werden im Vergleich zu bisher bekannten Ladeschaltungen. So kann eine Steuerung für die Schaltung mit nur einer Messstelle realisiert werden.Advantageously, a higher energy yield can be achieved by a higher storage capacity of the second energy store at a higher voltage than the maximum voltage of the first energy store. Furthermore, advantageously, a simplified circuit can be achieved in comparison to previously known charging circuits. Thus, a control for the circuit can be realized with only one measuring point.

Die erste Schalteinrichtung kann als ein Halbleiterschalter und ergänzend oder alternativ als ein Steuerungstransistor und ergänzend oder alternativ als ein Feldeffekttransistor ausgebildet sein. Die zweite Schalteinrichtung kann als ein Halbleiterschalter und ergänzend oder alternativ als ein Steuerungstransistor und ergänzend oder alternativ als ein Feldeffekttransistor ausgebildet sein. Vorteilhaft kann eine effiziente und kostengünstige Schaltung erzielt werden.The first switching device can be designed as a semiconductor switch and additionally or alternatively as a control transistor and additionally or alternatively as a field-effect transistor. The second switching device can be designed as a semiconductor switch and additionally or alternatively as a control transistor and additionally or alternatively as a field-effect transistor. Advantageously, an efficient and inexpensive circuit can be achieved.

Ferner kann der zweite Energiespeicher ausgebildet sein, eine höhere Spannung als der erste Energiespeicher beschädigungsfrei zu speichern. Furthermore, the second energy store can be designed to store a higher voltage than the first energy store without damage.

Günstig ist es auch, wenn der erste Energiespeicher als ein elektro-chemischer Energiespeicher ausgebildet ist. Ferner kann der zweite Energiespeicher als ein Feldenergiespeicher und ergänzend oder alternativ kapazitiver Energiespeicher und ergänzend oder alternativ induktiver Energiespeicher ausgebildet sein. Der zweite Energiespeicher kann als ein Kondensator, ein Ultrakondensator, ein elektrochemischer Kondensator, ein Doppelschichtkondensator oder ein Hybridkondensator ausgebildet sein. Vorteilhaft können zwei Arten von Energiespeichern in einer Schaltung kombiniert werden. So kann von spezifischen Vorteilen unterschiedlicher Energiespeicher profitiert werden.It is also favorable if the first energy store is designed as an electrochemical energy store. Furthermore, the second energy store can be used as a field energy store and in addition or alternatively capacitive energy storage and complementary or alternatively inductive energy storage may be formed. The second energy store may be formed as a capacitor, an ultracapacitor, an electrochemical capacitor, a double-layer capacitor or a hybrid capacitor. Advantageously, two types of energy storage can be combined in one circuit. This allows you to benefit from the specific advantages of different energy storage systems.

Der erste Verbraucheranschluss kann von einer Verbraucheranschlussschnittstelle durch einen Ausgabeschalter und ergänzend oder alternativ eine Diode trennbar ausgeführt sein. Der erste Verbraucheranschluss und ergänzend oder alternativ der zweite Anschluss kann von der Verbraucheranschlussschnittstelle durch eine Ladeschaltung elektrisch entkoppelbar ausgeführt sein. Auch dadurch kann die der Erfindung zugrunde liegende Idee effizient umgesetzt werden.The first consumer connection can be designed to be separable from a consumer connection interface by an output switch and additionally or alternatively a diode. The first consumer terminal and additionally or alternatively the second terminal can be designed to be electrically decoupled from the consumer terminal interface by a charging circuit. This also allows the idea underlying the invention to be implemented efficiently.

Die Schaltung kann eine dritte Schalteinrichtung aufweisen, die zwischen dem Hilfsknoten und dem Verbraucheranschluss angeordnet ist. Vorteilhaft kann dadurch der erste Energiespeicher vor eine Tiefentladung geschützt werden.The circuit may include a third switching device disposed between the auxiliary node and the load terminal. Advantageously, thereby the first energy storage can be protected from deep discharge.

Die Schaltung kann eine Schnittstelle zum Empfangen eines Messsignals umfassen. Das Messsignal kann eine elektrische Spannung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss repräsentieren. Vorteilhaft können die Schalteinrichtungen unter Verwendung des Messsignals oder ansprechend auf das Messsignal gesteuert werden. The circuit may include an interface for receiving a measurement signal. The measurement signal may represent an electrical voltage between the first terminal and the second terminal. Advantageously, the switching devices can be controlled using the measurement signal or in response to the measurement signal.

Es wird eine Ladungsschaltung für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System vorgestellt mit einer Variante einer hier vorgestellten Schaltung und mit einer Diode, die zwischen dem ersten Anschluss und einem weiteren Anschluss zum Verbinden der Ladungsschaltung mit dem Fotovoltaik-System angeordnet ist. Das Fotovoltaik-System kann mit dem weiteren Anschluss und dem zweiten Anschluss verbunden sein. Der erste Anschluss kann über die Diode mit dem Fotovoltaik-System verbunden sein. Vorteilhaft kann auf eine Überwachung der ersten Schalteinrichtung und ergänzend oder alternativ der zweiten Schalteinrichtung auf eine überproportionale Spannungsänderung als Signal für ein Öffnen der Schalteinrichtungen verzichtet werden.A charge circuit for energy management for a photovoltaic system is presented with a variant of a circuit presented here and with a diode which is arranged between the first terminal and a further terminal for connecting the charge circuit to the photovoltaic system. The photovoltaic system may be connected to the further terminal and the second terminal. The first connection can be connected to the photovoltaic system via the diode. Advantageously, a monitoring of the first switching device and additionally or alternatively the second switching device can be dispensed with a disproportionate voltage change as a signal for opening the switching devices.

Es wird ein Verfahren zum Betreiben einer Schaltung für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System vorgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Betreiben einer Variante einer hier vorgestellten Schaltung in einem ersten Zustand des Ladens des zweiten Energiespeichers, wenn eine Spannungsänderung einer gemessenen Spannung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss einen vorbestimmten Änderungswert in einem vorbestimmten Zeitintervall unterschreitet, wobei die erste Schalteinrichtung leitet und die zweite Schalteinrichtung sperrt; und
Betreiben der Schaltung in einem zweiten Zustand des Bereitstellens einer elektrischen Energie, wobei der erste Energiespeicher hinzugeschaltet wird, wenn die gemessene Spannung einen vorbestimmten ersten Schwellenwert unterschreitet, wobei die erste Schalteinrichtung sperrt und die zweite Schalteinrichtung leitet. A method for operating a circuit for energy management for a photovoltaic system is presented, the method having the following steps:
Operating a variant of a circuit presented here in a first state of charging the second energy storage when a voltage change of a measured voltage between the first terminal and the second terminal falls below a predetermined change value in a predetermined time interval, the first switching device conducts and blocks the second switching device ; and
Operating the circuit in a second state of providing an electrical energy, wherein the first energy storage is connected when the measured voltage falls below a predetermined first threshold, wherein the first switching device blocks and the second switching device conducts.

Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Betreibens der Schaltung in einem dritten Zustand des Ladens des ersten Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers aufweisen. Further, the method may include a step of operating the circuit in a third state of charging the first energy storage and the second energy storage.

Ferner kann das Verfahren einen Schritt des Betreibens der Schaltung in einem vierten Zustand des Entkoppelns des ersten Energiespeichers aufweisen, wenn die gemessene Spannung einen vorbestimmten zweiten Schwellenwert unterschreitet, um den zweiten Energiespeicher vor einer Tiefentladung zu schützen. Die Schaltung kann dabei eine dritte Schalteinrichtung aufweisen, die zwischen dem Hilfsknoten und dem Verbraucheranschluss angeordnet ist. Im Schritt des Betreibens der Schaltung können in dem vierten Zustand des Entkoppelns die zweite Schalteinrichtung und die dritte Schalteinrichtung leiten, wenn die gemessene Spannung den vorbestimmten zweiten Schwellenwert unterschreitet.Furthermore, the method may include a step of operating the circuit in a fourth state of decoupling the first energy store when the measured voltage falls below a predetermined second threshold value in order to protect the second energy store from a deep discharge. The circuit may have a third switching device which is arranged between the auxiliary node and the consumer terminal. In the step of operating the circuit, in the fourth state of decoupling, the second switching device and the third switching device may conduct when the measured voltage falls below the predetermined second threshold value.

Der hier vorgestellte Ansatz schafft ferner ein Steuergerät, das ausgebildet ist, um die Schritte einer Variante eines hier vorgestellten Verfahrens in entsprechenden Einrichtungen durchzuführen bzw. umzusetzen. Auch durch diese Ausführungsvariante der Erfindung in Form eines Steuergeräts kann die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe schnell und effizient gelöst werden. The approach presented here also creates a control unit which is designed to carry out or implement the steps of a variant of a method presented here in corresponding devices. Also by this embodiment of the invention in the form of a control device, the object underlying the invention can be achieved quickly and efficiently.

Unter einem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät verstanden werden, das Sensorsignale verarbeitet und in Abhängigkeit davon Steuer- und/oder Datensignale ausgibt. Das Steuergerät kann eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergeräts beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.In the present case, a control device can be understood as meaning an electrical device which processes sensor signals and outputs control and / or data signals in dependence thereon. The control unit may have an interface, which may be formed in hardware and / or software. In the case of a hardware-based design, the interfaces can be part of a so-called system ASIC, for example, which contains various functions of the control unit. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In a software training, the interfaces may be software modules that are present, for example, on a microcontroller in addition to other software modules.

Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt oder Computerprogramm mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger oder Speichermedium wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert sein kann und zur Durchführung und/oder Ansteuerung der Schritte des Verfahrens nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen verwendet wird, insbesondere wenn das Programmprodukt auf einem Computer oder einer Vorrichtung ausgeführt wird. A computer program product or computer program with program code which can be stored on a machine-readable carrier or storage medium such as a semiconductor memory, a hard disk memory or an optical memory and is used for carrying out and / or controlling the steps of the method according to one of the embodiments described above is also of advantage in particular when the program product is executed on a computer or a device.

Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:The approach presented here will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System; 1 a block diagram of an apparatus for energy management for a photovoltaic system;

2 ein Blockschaltbild einer Schaltung für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 2 a block diagram of a circuit for a power management for a photovoltaic system according to an embodiment of the present invention;

3 eine schematische Darstellung einer Schaltung für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 3 a schematic representation of a circuit for a power management for a photovoltaic system according to an embodiment of the present invention;

4 eine schematische Darstellung einer Ladungsschaltung für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 4 a schematic representation of a charge circuit for energy management for a photovoltaic system according to an embodiment of the present invention;

5 eine vereinfachte Darstellung eines Einstrahlungsprofils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; 5 a simplified representation of an irradiation profile according to an embodiment of the present invention;

6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Schaltung für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und 6 a flowchart of a method for operating a circuit for a power management for a photovoltaic system according to an embodiment of the present invention; and

7 ein Blockschaltbild eines Steuergeräts gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 7 a block diagram of a control device according to an embodiment of the present invention.

In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.In the following description of favorable embodiments of the present invention, the same or similar reference numerals are used for the elements shown in the various figures and similar acting, with a repeated description of these elements is omitted.

1 zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung 100 für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System 102. Die Vorrichtung 100 weist eine Diode 104, einen Schalter 106 mit einem Strombegrenzer, eine wiederaufladbare Lithium-Batterie 108, eine erste Spannungsmessstelle 110, einen Spannungsbegrenzer 112, einen Kondensator 114, einen Spannungsmonitor 116, einen Ausgabeschalter 118 sowie einen Anschluss 120 zu einer Sensorplattform auf. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Kondensator 114 um einen leckarmen Speicherkondensator 114, auch bezeichnet als „low-leakage storage capacitor“ 114. Die genannten Elemente der Vorrichtung 100 sind in der Reihenfolge ihrer Aufzählung miteinander verbunden, beziehungsweise in Serie zueinander geschaltet. 1 shows a block diagram of a device 100 for energy management for a photovoltaic system 102 , The device 100 has a diode 104 , a switch 106 with a current limiter, a rechargeable lithium battery 108 , a first voltage measuring point 110 , a voltage limiter 112 , a capacitor 114 , a voltage monitor 116 , an output switch 118 as well as a connection 120 to a sensor platform. In the embodiment shown, the capacitor is 114 around a low-leakage storage capacitor 114 , also referred to as "low-leakage storage capacitor" 114 , The said elements of the device 100 are connected in the order of their enumeration, or connected in series with each other.

Die in 1 dargestellte Vorrichtung 100 weist zwei Spannungsmessstellen 110, 116 auf. Eine Adaption auf mehrere Einstrahlungsgrade ist nicht möglich.In the 1 illustrated device 100 has two voltage measuring points 110 . 116 on. An adaptation to several degrees of irradiation is not possible.

2 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltung 200 für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Fotovoltaik-System 102 kann es sich um ein Ausführungsbeispiel eines in 1 gezeigten Fotovoltaik-Systems 102 handeln. 2 shows a block diagram of a circuit 200 for energy management for a photovoltaic system 102 according to an embodiment of the present invention. In the photovoltaic system 102 it may be an embodiment of an in 1 shown photovoltaic system 102 act.

Die Schaltung 200 weist einen ersten Anschluss 202 zum Verbinden der Schaltung 200 mit dem Fotovoltaik-System 102 und einen zweiten Anschluss 204 zum Verbinden der Schaltung 200 mit dem Fotovoltaik-System 102 auf. Eine erste Schalteinrichtung 206 ist zwischen dem ersten Anschluss 202 und einem Verbraucheranschluss 208 angeordnet. Eine zweite Schalteinrichtung 210 ist zwischen dem ersten Anschluss 202 und einem Hilfsknoten 212 angeordnet. Die Schaltung 200 weist weiterhin einen ersten Energiespeicher 214 und einem zweiten Energiespeicher 216 auf. Die Energiespeicher 214, 216 sind ausgebildet zum Speichern einer von dem Fotovoltaik-System 102 bereitgestellten Energie. Der erste Energiespeicher 214 ist zwischen dem Hilfsknoten 212 und dem zweiten Anschluss 204 angeordnet. Der zweite Energiespeicher 216 ist zwischen dem Verbraucheranschluss 208 und dem zweiten Anschluss 204 angeordnet.The circuit 200 has a first connection 202 for connecting the circuit 200 with the photovoltaic system 102 and a second connection 204 for connecting the circuit 200 with the photovoltaic system 102 on. A first switching device 206 is between the first port 202 and a consumer connection 208 arranged. A second switching device 210 is between the first port 202 and an auxiliary node 212 arranged. The circuit 200 also has a first energy storage 214 and a second energy storage 216 on. The energy storage 214 . 216 are configured to store one of the photovoltaic system 102 provided energy. The first energy storage 214 is between the auxiliary node 212 and the second port 204 arranged. The second energy storage 216 is between the consumer connection 208 and the second port 204 arranged.

Die Schaltung 200 weist einen weiteren Verbraucheranschluss 218 auf. Der weitere Verbraucheranschluss 218 ist direkt, elektrisch leitfähig mit dem zweiten Anschluss 204 verbunden. Elektrisch betrachtet können der zweite Anschluss 204 und der weitere Verbraucheranschluss 218 als Synonym verwendet werden. Der zweite Energiespeicher 216 ist ausgebildet, eine höhere Spannung als der erste Energiespeicher 214 zu speichern.The circuit 200 indicates another consumer connection 218 on. The further consumer connection 218 is direct, electrically conductive with the second connection 204 connected. Electrically considered, the second connection 204 and the further consumer connection 218 be used as a synonym. The second energy storage 216 is formed, a higher voltage than the first energy storage 214 save.

In einem Ausführungsbeispiel sind die erste Schalteinrichtung 206 und die zweite Schalteinrichtung 210 als ein Halbleiterschalter, ein Steuerungstransistor oder als ein feldeffektbasierter Transistor (FET) ausgebildet.In one embodiment, the first switching device 206 and the second switching device 210 as a semiconductor switch, a Control transistor or as a field effect-based transistor (FET) is formed.

Vorteilhaft erlaubt die in 2 dargestellte Schaltung 200 ein paralleles Arbeiten der beiden Speicher 214, 216. Vorteilhaft ist eine Adaption auf mehrere Einstrahlungsgrade möglich.Advantageously, the in 2 illustrated circuit 200 a parallel working of the two memories 214 . 216 , Advantageously, an adaptation to several degrees of irradiation is possible.

3 zeigt eine schematische Darstellung einer Schaltung 200 für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Schaltung 200 kann es sich um ein Ausführungsbeispiel einer in 2 gezeigten und beschriebenen Schaltung 200 für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System handeln. Die Schaltung 200 weist eine erste Schalteinrichtung 206, eine zweite Schalteinrichtung 210, einen ersten Energiespeicher 214 sowie einen zweiten Energiespeicher 216 auf. Die Elemente der Schaltung 200 sind wie in 2 gezeigt miteinander verschaltet bzw. verbunden. Bei dem ersten Energiespeicher 214 handelt es sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel um einen elektro-chemischen Energiespeicher in Form einer Batterie beziehungsweise eines Akkumulators. Bei dem zweiten Energiespeicher 216 handelt es sich in dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel um einen kapazitiven Energiespeicher beziehungsweise um eine Kapazität. Die erste Schalteinrichtung 206 und die zweite Schalteinrichtung 210 sind als Transistoren ausgebildet. Insbesondere handelt es sich bei der ersten Schalteinrichtung 206 und der zweiten Schalteinrichtung 210 um Halbleiterschalter beziehungsweise Feldeffekttransistoren. Das Fotovoltaik-System ist mit dem ersten Anschluss 202 und dem zweiten Anschluss 204 verbunden. 3 shows a schematic representation of a circuit 200 for energy management for a photovoltaic system 102 according to an embodiment of the present invention. At the circuit 200 it may be an embodiment of an in 2 shown and described circuit 200 to act for an energy management for a photovoltaic system. The circuit 200 has a first switching device 206 , a second switching device 210 , a first energy storage 214 and a second energy storage 216 on. The elements of the circuit 200 are like in 2 shown interconnected or connected. At the first energy storage 214 In the exemplary embodiment shown, this is an electrochemical energy store in the form of a battery or a rechargeable battery. In the second energy storage 216 is it in the in 3 shown embodiment to a capacitive energy storage or to a capacity. The first switching device 206 and the second switching device 210 are designed as transistors. In particular, the first switching device is concerned 206 and the second switching device 210 to semiconductor switches or field effect transistors. The photovoltaic system is with the first connection 202 and the second port 204 connected.

Zwei Pfeile, mit dem Bezugszeichen 320 versehenen, repräsentieren eine Messung einer Spannung zwischen dem ersten Anschluss 202 und dem zweiten Anschluss 204. Die Schaltung 200 bzw. ein mit der ersten Schalteinrichtung 206 und der zweiten Schalteinrichtung 210 verbundenes Steuergerät ist ausgebildet, ein Messsignal zu empfangen. Das Messsignal repräsentiert eine elektrische Spannung zwischen dem ersten Anschluss 202 und dem zweiten Anschluss 204.Two arrows, with the reference number 320 provided represent a measurement of a voltage between the first terminal 202 and the second port 204 , The circuit 200 or one with the first switching device 206 and the second switching device 210 Connected control unit is designed to receive a measurement signal. The measurement signal represents an electrical voltage between the first terminal 202 and the second port 204 ,

Mit anderen Worten zeigt 3 ein „Power Management for Energy Harvesting PV Applications“. Dabei ist eine 2-Stufen-Adaption für Indoor-Sensorik (Energy Harvesting Management-Systemtopologie) vorgesehen.In other words shows 3 a "Power Management for Energy Harvesting PV Applications". A 2-stage adaptation for indoor sensors (Energy Harvesting Management system topology) is planned.

Als ein Aspekt des in 3 dargestellten Ausführungsbeispiels lohnt sich bei kleinen Verbrauchern (zum Beispiel ca. < 10 mWh/Tag) ein Maximum Power Point (MPP)-Tracker nicht, da der energetische Verbrauch (für die Regelung) höher ist als der energetische Mehrgewinn gegenüber einer fest eingestellten Spannung des Fotovoltaik-Moduls. Aus diesem Grund wird bei der in 1 dargestellten Vorrichtung 100 mittels einer Batterie die Spannung fixiert und das System nur auf einen Einstrahlungslevel eingestellt. Von Schwankungen in der Einstrahlung kann damit nur teilweise profitiert werden. Vorteilhaft kann eine höhere Energieausbeute als bei der Vorrichtung 100 in 1 mit einem Aspekt der hier vorgestellten erfinderischen Idee beziehungsweise des in 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiels einer Schaltung 200 verbessert werden. Eine Verkleinerung der Fotovoltaik-Zelle kann hieraus abgeleitet werden. Alternativ werden bei limitierter Fotovoltaik-Fläche Anwendungen im Sensorikbereich erst ermöglicht oder bei gleicher Fotovoltaik-Fläche wird durch die höhere Systemeffizienz die Anzahl der Informationsmeldungen im Sensornetzwerk pro Zeiteinheit erhöht.As an aspect of in 3 In the case of small consumers (for example, approximately <10 mWh / day), a maximum power point (MPP) tracker is not worthwhile because the energy consumption (for the regulation) is higher than the energy gain compared to a permanently set voltage of the photovoltaic module. For this reason, at the in 1 illustrated device 100 The voltage is fixed by means of a battery and the system is set only to an irradiation level. It is only partially possible to profit from fluctuations in the irradiation. Advantageously, a higher energy yield than in the device 100 in 1 with an aspect of the inventive idea presented here or of the in 2 and 3 illustrated embodiment of a circuit 200 be improved. A reduction of the photovoltaic cell can be derived from this. Alternatively, in the case of limited photovoltaic areas, applications in the area of sensor technology are only possible, or with the same photovoltaic area, the higher system efficiency increases the number of information messages in the sensor network per unit of time.

Neben der höheren Energieausbeute ist ein positiver Nebeneffekt des dargestellten Ausführungsbeispiels auch eine Vereinfachung der Hardware gegenüber Bekanntem. Insbesondere ist anstatt zwei Messstellen zur Spannungsmessung nur noch eine Messstelle notwendig.In addition to the higher energy yield is a positive side effect of the illustrated embodiment, a simplification of the hardware over the known. In particular, instead of two measuring points for measuring voltage, only one measuring point is necessary.

4 zeigt eine schematische Darstellung einer Ladungsschaltung 400 für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System 102 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Ladungsschaltung 400 kann es sich um ein Ausführungsbeispiel einer in 2 gezeigten und beschriebenen Schaltung 200 für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System handeln, die um eine Diode 422 zwischen dem ersten Anschluss 202 und einem weiteren Anschluss 424 angeordnet ist. Im Unterschied zu dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Schaltung 200 weist das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel der Ladungsschaltung 400 zusätzlich die Diode 422 sowie eine dritte Schalteinrichtung 426 auf. Die Kathode der Diode 422 ist mit dem ersten Anschluss 202 und die Anode der Diode 422 ist mit dem weiteren Anschluss 424 verbunden. Die dritte Schalteinrichtung 426 ist zwischen dem Hilfsknoten 412 und dem Verbraucheranschluss 208 angeordnet. 4 shows a schematic representation of a charging circuit 400 for energy management for a photovoltaic system 102 according to an embodiment of the present invention. At the charge circuit 400 it may be an embodiment of an in 2 shown and described circuit 200 to act for energy management for a photovoltaic system, which is around a diode 422 between the first connection 202 and another connection 424 is arranged. Unlike the in 3 shown embodiment of a circuit 200 has the in 4 shown embodiment of the charging circuit 400 in addition the diode 422 and a third switching device 426 on. The cathode of the diode 422 is with the first connection 202 and the anode of the diode 422 is with the further connection 424 connected. The third switching device 426 is between the auxiliary node 412 and the consumer connection 208 arranged.

In einem nicht gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Verbraucheranschluss 208 und der weitere Verbraucheranschluss 218 von einer nicht gezeigten Verbraucheranschlussschnittstelle durch eine Ladeschaltung, einen Ausgabeschalter oder eine digitale Diode entkoppelbar bzw. elektrisch trennbar ausgeführt.In an embodiment not shown are the consumer connection 208 and the further consumer connection 218 from a consumer terminal interface, not shown by a charging circuit, an output switch or a digital diode decoupled or electrically separable performed.

Der Kondensator 216 kann unabhängig von der Batterie 214 geladen und entladen werden. Dadurch kann neben der Systemspannung, definiert durch die Batterie 214, eine höhere Spannung durch den Kondensator 216 genutzt werden. Dies erhöht die Energiepufferung (EKondensator = ½CU2 – das heißt, bei höherer Spannung U überproportional höhere Energiespeicherung) und nutzt wie in 5 gezeigt verschiedene Einstrahlungsbedingungen. Der Ertragsgewinn kann aus Messdaten einer Fotovoltaik Zelle abgeschätzt werden und ergibt bei dem nachstehend ausgeführten Beispiel einen Ertragsvorteil von 30% bei dem Kondensator 216.The capacitor 216 can be independent of the battery 214 be loaded and unloaded. This can be in addition to the system voltage, defined by the battery 214 , a higher voltage through the capacitor 216 be used. This increases the energy buffering (E capacitor = ½CU 2 - that is, at higher voltage U disproportionately higher energy storage) and uses as in 5 shown different irradiation conditions. The yield gain can be estimated from measurement data of a photovoltaic cell and, in the example set out below, yields a yield advantage of 30% for the capacitor 216 ,

In einem Ausführungsbeispiel wird als Randbedingung eine Einstrahlung aus einer Messung: G1 = 3 W/m2; G2 = 48W/m2 angesetzt. In 5 ist ersichtlich, dass das Verhältnis zwischen zwei Einstrahlungslevels Ratio = G2/G1 = 48/3 = 16 ansetzbar ist. So ist aus 5 ersichtlich, dass eine Steigerung der Leuchtstärke in einem Raum um den Faktor 16 und damit eine gewisse Einstrahlungs-Schwankung zu erwarten ist. Bei den zwei Leuchtstärken (3 W/m2 und 48 W/m2) ergeben sich Spannungen in Höhe von

Figure DE102014201542A1_0002
was einer Erhöhung um ca. 17% (0,57V) entspricht. Die damit verknüpfte Energiespeicherung beträgt nach E = ½C(U1 2 – U2 2). Damit ergibt sich ein Ertragsvorteil um ca. +30% beim Kondensator.In one embodiment, an irradiation from a measurement is used as a boundary condition: G 1 = 3 W / m 2 ; G 2 = 48W / m 2 . In 5 It can be seen that the ratio between two irradiation levels Ratio = G 2 / G 1 = 48/3 = 16 can be applied. That's how it is 5 It can be seen that an increase of the luminosity in a room by a factor of 16 and thus a certain radiation fluctuation is to be expected. The two luminous intensities (3 W / m 2 and 48 W / m 2 ) result in voltages of
Figure DE102014201542A1_0002
which corresponds to an increase of about 17% (0.57V). The associated energy storage amounts to E = ½C (U 1 2 - U 2 2 ). This results in a yield advantage of approx. + 30% for the condenser.

Für das Energiemanagement sind die einzelnen Spannungen U wichtig. Diese können mittels nur eines Spannungsmessers erfasst werden. Hierzu ist eine Logiktabelle zu beachten. In der Logiktabelle sind die Schaltzustände der Schalteinrichtungen 206, 210, 426 zusammengefasst.For energy management, the individual voltages U are important. These can be detected by means of only one voltmeter. For this a logic table has to be considered. In the logic table are the switching states of the switching devices 206 . 210 . 426 summarized.

Bei der nachfolgenden Betrachtung ist der Schaltzustand der dritten Schalteinrichtung 426 im ersten Zustand und im zweiten Zustand der Schaltung 200 sperrend, im dritten Zustand ist der Schaltzustand der dritten Schalteinrichtung 426 nicht relevant. In den ersten drei Zuständen der Schaltung 200 ist dabei die dritte Schalteinrichtung 426 rein optional. Die dritte Schalteinrichtung ist insbesondere sekundär bezüglich der Tiefentladung vorgesehen, sondern, wie aus der Logiktabelle ersichtlich ist, um die Systemspannung zu messen und beide Speicher auf gleiche Spannungsebene zu bringen, im Fall, dass das PV-Modul (PV = Photovoltaik) entkoppelt werden soll. Hauptsächlich ist bei höherer Einstrahlung die PV-Spannung höher als die Batteriespannung, weshalb die Entkopplung besonders günstig ist. Erst wenn die Spannung durch den Verbraucher wieder auf Batterieniveau abgebaut wurde wird die Batterie hinzugeschaltet. In the following consideration, the switching state of the third switching device 426 in the first state and in the second state of the circuit 200 blocking, in the third state is the switching state of the third switching device 426 Not relevant. In the first three states of the circuit 200 is the third switching device 426 purely optional. In particular, the third switching device is provided secondarily with respect to the deep discharge, but, as can be seen from the logic table, in order to measure the system voltage and bring both memories to the same voltage level, in the event that the PV module (PV = photovoltaic) is to be decoupled , Mainly at higher irradiance, the PV voltage is higher than the battery voltage, which is why the decoupling is particularly favorable. Only when the voltage has been reduced by the consumer back to battery level, the battery is connected.

Im ersten Zustand ist die erste Schalteinrichtung 206 leitend und die zweite Schalteinrichtung 210 sperrend geschaltet. Wenn vorhanden, ist im ersten Zustand die dritte Schalteinrichtung 426 sperrend geschaltet. Im zweiten Zustand ist die erste Schalteinrichtung 206 sperrend und die zweite Schalteinrichtung 210 leitend geschaltet. Wenn vorhanden, ist im ersten Zustand die dritte Schalteinrichtung 426 sperrend geschaltet. Im dritten Zustand sind die erste Schalteinrichtung 206 und die zweite Schalteinrichtung 210 sperrend geschaltet. Der Schaltzustand der optionalen dritten Schalteinrichtung 426 ist dabei nicht relevant. In the first state is the first switching device 206 conductive and the second switching device 210 switched off. If present, in the first state, the third switching device 426 switched off. In the second state, the first switching device 206 locking and the second switching device 210 switched on. If present, in the first state, the third switching device 426 switched off. In the third state are the first switching device 206 and the second switching device 210 switched off. The switching state of the optional third switching device 426 is not relevant.

Wenn die Schaltung 200 oder die Ladungsschaltung 400 über eine dritte Schalteinrichtung 426 verfügt, wie in 4 dargestellt, so sind in einem vierten Zustand die zweite Schalteinrichtung 210 und die dritte Schalteinrichtung 426 leitend geschaltet. Der Schaltzustand der ersten Schalteinrichtung 206 ist dabei nicht relevant.When the circuit 200 or the charge circuit 400 via a third switching device 426 has, as in 4 illustrated, in a fourth state, the second switching device 210 and the third switching device 426 switched on. The switching state of the first switching device 206 is not relevant.

Die Steuerungstransistoren 206, 210, 426 sind in einem Ausführungsbeispiel ultra-low-power Bauteile, wie beispielsweise FETs, und können neben dem vollständigen Schalten auch den Strom begrenzen. Die Steuerungsstrategie kann wie folgt sein:

  • 1. System laden: Zunächst werden der zweite Energiespeicher 216 (in einem Ausführungsbeispiel: Kondensator 216) und erster Energiespeicher 214 (in einem Ausführungsbeispiel: Batterie 214) parallel geladen. Dies entspricht dem oben als vierten Zustand bezeichneten Schaltzustand der Schaltung 200.
  • 2. Ist die Spannungsänderung nur noch klein, wird der erste Energiespeicher 214, in einem Ausführungsbeispiel die Batterie 216, abgekoppelt und der zweite Energiespeicher 216 (in einem Ausführungsbeispiel Kondensator: 216) weiter geladen. Damit wird das Überladen des ersten Energiespeichers 214 (in einem Ausführungsbeispiel: Batterie 214) verhindert und zusätzliche Energie im zweiten Energiespeicher 216 (in einem Ausführungsbeispiel: Kondensator 216) zwischengespeichert. Die Spannungslage des zweiten Energiespeichers 216 (in einem Ausführungsbeispiel: Kondensators 216) übersteigt die Spannung des ersten Energiespeichers 214 (in einem Ausführungsbeispiel: Batteriespannung) nach dem Entkoppeln des ersten Energiespeichers 214 (in einem Ausführungsbeispiel: Batterie 214). Dies entspricht dem oben als ersten Zustand bezeichneten Schaltzustand der Schaltung 200.
  • 3. Bei Energieverbrauch wird somit zunächst nur der zweite Energiespeicher 216 (in einem Ausführungsbeispiel: Kondensator 216) entladen, bis dieser auf dem gleichen Spannungslevel ist wie der erste Energiespeicher 214 (in einem Ausführungsbeispiel: Batterie 214), dann wird der erste Energiespeicher 214 (in einem Ausführungsbeispiel: Batterie 214) hinzugeschaltet. Dies entspricht dem oben als zweiten Zustand bezeichneten Schaltzustand der Schaltung 200.
  • 4. Wird eine gewählte Spannungsschwelle unterschritten, so kann der erste Energiespeicher 214 (in einem Ausführungsbeispiel: Batterie 214) wieder entkoppelt werden, um vor einer Tiefentladung geschützt zu werden. Dies entspricht dem oben als vierten Zustand bezeichneten Schaltzustand der Schaltung 200.
The control transistors 206 . 210 . 426 In one embodiment, these are ultra-low-power devices, such as FETs, and can limit power in addition to complete switching. The control strategy can be as follows:
  • 1. Load system: First, the second energy storage 216 (In one embodiment: capacitor 216 ) and first energy storage 214 (In one embodiment: battery 214 ) loaded in parallel. This corresponds to the switching state of the circuit described above as the fourth state 200 ,
  • 2. If the voltage change is only small, the first energy storage 214 in one embodiment, the battery 216 , decoupled and the second energy storage 216 (in an embodiment capacitor: 216 ) continue to load. This will overload the first energy store 214 (In one embodiment: battery 214 ) prevents and additional energy in the second energy storage 216 (In one embodiment: capacitor 216 ) are cached. The voltage level of the second energy store 216 (In one embodiment: capacitor 216 ) exceeds the voltage of the first energy store 214 (Battery voltage in one embodiment) after decoupling the first energy storage 214 (In one embodiment: battery 214 ). This corresponds to the switching state of the circuit referred to above as the first state 200 ,
  • 3. For energy consumption, therefore, initially only the second energy storage 216 (In one embodiment: capacitor 216 ) until it is at the same voltage level as the first energy store 214 (In one embodiment: battery 214 ), then the first energy storage 214 (In one embodiment: battery 214 ). This corresponds to the switching state of the circuit referred to above as the second state 200 ,
  • 4. If the voltage falls below a selected voltage threshold, the first energy store can be used 214 (In one embodiment: battery 214 ) be decoupled again to be protected from deep discharge. This corresponds to the switching state of the circuit described above as the fourth state 200 ,

Ein "output-switch" kann gegebenenfalls auch verbaut werden. Eine Diode 422 am Anfang der Schaltung verhindert eine Energieaufnahme aus dem Speicher 214, 216 in die Fotovoltaik-Zelle 102 bei Nacht. Gegebenenfalls ließe sich auf diese verzichten, dann wäre jedoch eine Observierung einer überproportionalen Spannungsreduktion als Signal zur Trennung der ersten Schalteinrichtung 206 und der zweiten Schalteinrichtung 210 notwendig. Als Kondensator 216 wird in einem besonderen Ausführungsbeispiel ein „Ultracap“ oder Ähnliches verwendet, da die Spannung gewöhnlich 5 V nicht übersteigen wird.If necessary, an "output switch" can also be installed. A diode 422 At the beginning of the circuit prevents energy absorption from the memory 214 . 216 in the photovoltaic cell 102 at night. If necessary, these could be dispensed with, but then an observation of a disproportionate voltage reduction would be a signal for the separation of the first switching device 206 and the second switching device 210 necessary. As a capacitor 216 For example, in one particular embodiment, an "ultracap" or the like is used because the voltage will usually not exceed 5V.

5 zeigt eine vereinfachte Darstellung eines Einstrahlungsprofils 530 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem kartesischen Koordinatensystem zeigt die Abszisse eine Zeit und die Ordinate eine Einstrahlung auf ein Fotovoltaik-System. Der Signalverlauf des Einstrahlungsprofils 530 weist im Verlauf der neun dargestellten Tage, die in 5 mit den englischen Begriffen "day 1“ etc. gekennzeichnet sind, jeweils eine stärkere Einstrahlung auf, wobei insbesondere am achten und neunten Tag eine um ca. 16-fache stärkere Einstrahlung bei dem Einstrahlungsprofil 530 zu erkennen ist. 5 shows a simplified representation of an irradiation profile 530 according to an embodiment of the present invention. In a Cartesian coordinate system, the abscissa shows a time and the ordinate an irradiation on a photovoltaic system. The signal profile of the irradiation profile 530 indicates in the course of the nine days shown that in 5 with the English terms "day 1", etc., in each case a stronger irradiation, wherein in particular on the eighth and ninth day by about 16-fold stronger irradiation in the irradiation profile 530 can be seen.

5 zeigt eine 9-tägige Aufnahme einer Einstrahlungsmessung im lnnenraumbereich. Deutlich sind zwei Leistungsebenen erkennbar. Der höhere Einstrahlungsfall erklärt sich mit der zur passiven Raumausleuchtung (Tageslicht) noch hinzugeschalteten Lichtquelle (Leuchtstoff-Röhren) an der Decke eines Raumes. Legt man ein Fotovoltaik-System nur auf die kleinere Leistungsebene aus, so kann man den Strom bei der höheren Leistungsebene begrenzen, damit die Batterie nicht überladen wird. Des Weiteren ist im unbegrenzten Fall kein optimaler Nutzen der Randbedingungen gegeben, wenn der Energiespeicher nur auf einem Spannungsniveau arbeiten kann und deshalb die Spannung konstant gehalten wird. Vorteilhaft kann die in 2 bis 4 dargestellte Schaltung 200 beziehungsweise Ladungsschaltung 400 mit unterschiedlichen Spannungsniveaus arbeiten und diese vorteilhaft speichern. 5 shows a 9-day recording of an irradiation measurement in the interior area. Clearly two levels of performance can be identified. The higher incidence of insolation can be explained by the light source (fluorescent tubes) still connected to the passive room lighting (daylight) on the ceiling of a room. Applying a photovoltaic system only to the lower power level can limit the current at the higher power level to avoid overcharging the battery. Furthermore, in the unlimited case no optimal benefit of the boundary conditions is given if the energy storage can only work on a voltage level and therefore the voltage is kept constant. Advantageously, the in 2 to 4 illustrated circuit 200 or charge circuit 400 work with different voltage levels and save them advantageous.

Exemplarisch wird in 5 ein Einstrahlungsprofil auf einer Schrankoberfläche ca. 5–6 m von einem Fenster entfernt, wobei das Fenster eine Nordausrichtung aufweist. Die Position des Messorts ist neben einem Besprechungszimmer mit einem Abstand von ca. 1 m zu einer Leuchtstofflampe gewählt.Exemplary will be in 5 an irradiation profile on a cabinet surface about 5-6 m away from a window, the window having a north orientation. The location of the site is next to a meeting room with a distance of about 1 m to a fluorescent lamp.

6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zum Betreiben einer Schaltung für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Schaltung kann es sich um eine mit dem Bezugszeichen 200 in 2 und 3 beschriebene Schaltung 200 für ein Energiemanagement eines Fotovoltaik-Systems beziehungsweise um eine Ladungsschaltung 400, wie diese in 4 beschrieben ist, handeln. Das Verfahren 600 umfasst einen Schritt 610 des Betreibens einer Schaltung in einem ersten Zustand des Ladens des zweiten Energiespeichers und einen Schritt 620 des Betreibens der Schaltung in einem zweiten Zustand des Bereitstellens einer elektrischen Energie auf. Der Schritt 610 des Betreibens der Schaltung in dem ersten Zustand des Ladens des zweiten Energiespeichers wird ausgeführt, wenn eine Spannungsänderung einer gemessenen Spannung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss einen vorbestimmten Änderungswert in einem vorbestimmten Zeitintervall unterschreitet. Wenn der Schritt 610 des Betreibens der Schaltung in dem ersten Zustand ausgeführt wird, leitet die erste Schalteinrichtung der Schaltung und die zweite Schalteinrichtung der Schaltung sperrt. Im Schritt 620 des Betreibens der Schaltung in dem zweiten Zustand des Bereitstellens der elektrischen Energie wird der erste Energiespeicher zugeschaltet, wenn die gemessene Spannung einen vorbestimmten ersten Schwellenwert unterschreitet. In diesem Fall sperrt die erste Schalteinrichtung der Schaltung und die zweite Schalteinrichtung der Schaltung leitet. 6 shows a flowchart of a method 600 for operating a power management circuit for a photovoltaic system according to an embodiment of the present invention. The circuit may be one with the reference numeral 200 in 2 and 3 described circuit 200 for an energy management of a photovoltaic system or a charge circuit 400 like these in 4 is described, act. The procedure 600 includes a step 610 operating a circuit in a first state of charging the second energy storage and a step 620 operating the circuit in a second state of providing electrical energy. The step 610 the operation of the circuit in the first state of charging the second energy storage is performed when a voltage change of a measured voltage between the first terminal and the second terminal falls below a predetermined change value in a predetermined time interval. When the step 610 operating the circuit in the first state, conducts the first switching device of the circuit and the second switching device of the circuit blocks. In step 620 operating the circuit in the second state of providing the electrical energy, the first energy store is switched on when the measured voltage falls below a predetermined first threshold value. In this case, locks the first switching device of the circuit and the second switching device of the circuit passes.

In dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 600 einen optionalen Schritt 630 des Betreibens der Schaltung in einem dritten Zustand des Ladens des ersten Energiespeichers und des zweiten Energiespeichers auf. Im Schritt 630 des Betreibens der Schaltung in einem dritten Zustand sperren die erste Schalteinrichtung und die zweite Schalteinrichtung.In the in 6 embodiment shown, the method 600 an optional step 630 operating the circuit in a third state of charging the first energy store and the second energy store. In step 630 the operation of the circuit in a third state inhibit the first switching device and the second switching device.

Weiterhin weist das in 6 gezeigte Ausführungsbeispiel des Verfahrens 600 einen optionalen Schritt 640 des Betreibens der Schaltung in einem vierten Zustand des entkoppelt des ersten Energiespeichers auf. Der Schritt 640 des Betreibens der Schaltung in dem vierten Zustand wird ausgeführt, wenn die gemessene Spannung einen vorbestimmten zweiten Schwellenwert unterschreitet, umso den zweiten Energiespeicher vor einer Tiefentladung zu schützen. Wenn der Schritt 640 des Betreibens der Schaltung in dem vierten Zustand ausgeführt wird, muss die Schaltung eine dritte Schalteinrichtung zwischen dem Hilfsknoten und dem Verbraucher Anschluss aufweisen. Wenn der Schritt 640 des Betreibens der Schaltung in dem vierten Zustand ausgeführt wird, sind die zweite Schalteinrichtung und die dritte Schalteinrichtung leitend geschaltet, wenn die gemessene Spannung den vorbestimmten zweiten Schwellenwert unterschreitet.Furthermore, the in 6 shown embodiment of the method 600 an optional step 640 operating the circuit in a fourth state of decoupling the first energy store. The step 640 the operation of the circuit in the fourth state is performed when the measured voltage falls below a predetermined second threshold, so as to protect the second energy storage from over-discharge. When the step 640 the circuit is operated in the fourth state, the circuit must have a third switching device between the auxiliary node and the consumer terminal. When the step 640 of operating the circuit in the fourth state, the second switching device and the third switching device are turned on when the measured voltage falls below the predetermined second threshold value.

7 zeigt ein Blockschaltbild eines Steuergeräts 700 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Steuergerät 700 weist eine Schnittstelle 710 zum Empfangen eines Messsignals 320, eine Steuereinrichtung 720 für eine Schaltung für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System sowie eine Schnittstelle 730 zum Bereitstellen von Steuersignalen für Schalteinrichtungen der Schaltung für ein Energiemanagement auf. Das Messsignal repräsentiert eine elektrische Spannung zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss der Schaltung. Die Steuereinrichtung 720 ist ausgebildet, eine Variante des in 6 beschriebenen Verfahrens auszuführen, um Steuersignale für die Schalteinrichtungen der Schaltung über die Schnittstelle 730 bereitzustellen. 7 shows a block diagram of a controller 700 according to an embodiment of the present invention. The control unit 700 has an interface 710 for receiving a measurement signal 320 , a control device 720 for a circuit for energy management for a photovoltaic system and an interface 730 for providing control signals to switching means of the power management circuit. The measurement signal represents an electrical voltage between the first terminal and the second terminal of the circuit. The control device 720 is trained, a variant of in 6 to carry out control signals for the switching means of the circuit via the interface 730 provide.

Die erfinderische Idee kann überall dort eingesetzt werden, wo nur begrenzte Leistung durch Fotovoltaik gesammelt wird und kein MPP-Tracker eingesetzt wird. Ein großes Feld sind alle Indoor-Applikationen, die auf eine feste Verdrahtung oder große Batterien verzichten und daher auf Energiequellen in Ihrem Umfeld angewiesen sind.The inventive idea can be used wherever limited power is collected by photovoltaic and no MPP tracker is used. A large field are all indoor applications that do not rely on a fixed wiring or large batteries and therefore rely on energy sources in your environment.

Vorteile sind dabei eine sehr einfache Schaltung, und dass nur ein Messpunkt für Fotovoltaik, Batterie und Kapazität benötigt wird.Advantages are a very simple circuit, and that only one measuring point for photovoltaic, battery and capacity is needed.

Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden. The embodiments described and shown in the figures are chosen only by way of example. Different embodiments may be combined together or in relation to individual features. Also, an embodiment can be supplemented by features of another embodiment.

Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden. Furthermore, the method steps presented here can be repeated as well as executed in a sequence other than that described.

Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.If an exemplary embodiment comprises a "and / or" link between a first feature and a second feature, then this is to be read so that the embodiment according to one embodiment, both the first feature and the second feature and according to another embodiment either only first feature or only the second feature.

Claims (15)

Schaltung (200) für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System (102), wobei die Schaltung (200) die folgenden Merkmale aufweist: einen ersten Anschluss (202) zum Verbinden der Schaltung mit dem Fotovoltaik-System und (102) einen zweiten Anschluss (204) zum Verbinden der Schaltung (200) mit dem Fotovoltaik-System (102); eine erste Schalteinrichtung (206), die zwischen dem ersten Anschluss (202) und einem Verbraucheranschluss (208) angeordnet ist, und eine zweite Schalteinrichtung (210), die zwischen dem ersten Anschluss (202) und einem Hilfsknoten (212) angeordnet ist; einen ersten Energiespeicher (214) zum Speichern der von dem Fotovoltaik-System (102) bereitgestellten elektrischen Energie, wobei der erste Energiespeicher (214) zwischen dem Hilfsknoten (212) und dem zweiten Anschluss (204) angeordnet ist; und einen zweiten Energiespeicher (216) zum Speichern der von dem Fotovoltaik-System (102) bereitgestellten elektrischen Energie, wobei der zweite Energiespeicher (216) zwischen dem Verbraucheranschluss (208) und dem zweiten Anschluss (204) angeordnet ist.Circuit ( 200 ) for energy management for a photovoltaic system ( 102 ), the circuit ( 200 ) has the following features: a first port ( 202 ) for connecting the circuit to the photovoltaic system and ( 102 ) a second port ( 204 ) for connecting the circuit ( 200 ) with the photovoltaic system ( 102 ); a first switching device ( 206 ) between the first port ( 202 ) and a consumer connection ( 208 ), and a second switching device ( 210 ) between the first port ( 202 ) and an auxiliary node ( 212 ) is arranged; a first energy store ( 214 ) for storing the photovoltaic system ( 102 ) provided electrical energy, wherein the first energy storage ( 214 ) between the auxiliary node ( 212 ) and the second connection ( 204 ) is arranged; and a second energy store ( 216 ) for storing the photovoltaic system ( 102 ) provided electrical energy, wherein the second energy storage ( 216 ) between the consumer connection ( 208 ) and the second connection ( 204 ) is arranged. Schaltung (200) gemäß Anspruch 1, bei der die erste Schalteinrichtung (206) und/oder die zweite Schalteinrichtung (210) als ein Halbleiterschalter und/oder als ein Steuerungstransistor und/oder als ein Feldeffekttransistor ausgebildet ist.Circuit ( 200 ) according to claim 1, wherein the first switching device ( 206 ) and / or the second switching device ( 210 ) is formed as a semiconductor switch and / or as a control transistor and / or as a field effect transistor. Schaltung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der zweite Energiespeicher (216) ausgebildet ist, eine höhere Spannung als der erste Energiespeicher (214) beschädigungsfrei zu speichern. Circuit ( 200 ) according to one of the preceding claims, in which the second energy store ( 216 ) is formed, a higher voltage than the first energy storage ( 214 ) without damage. Schaltung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem der erste Energiespeicher (214) als ein elektro-chemischer Energiespeicher ausgebildet ist und/oder der zweite Energiespeicher (216) als ein Feldenergiespeicher und/oder kapazitiver Energiespeicher und/oder induktiver Energiespeicher ausgebildet ist. Circuit ( 200 ) according to one of the preceding claims, in which the first energy store ( 214 ) is formed as an electro-chemical energy storage and / or the second energy storage ( 216 ) is designed as a field energy storage and / or capacitive energy storage and / or inductive energy storage. Schaltung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der Verbraucheranschluss (208) von einer Verbraucheranschlussschnittstelle durch einen Ausgabeschalter und/oder eine Diode trennbar ausgeführt ist.Circuit ( 200 ) according to one of the preceding claims, in which the consumer connection ( 208 ) is designed separable from a consumer connection interface by an output switch and / or a diode. Schaltung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei der der Verbraucheranschluss (208) und/oder der zweite Anschluss (204) von der Verbraucheranschlussschnittstelle durch eine Ladeschaltung elektrisch entkoppelbar ausgeführt ist. Circuit ( 200 ) according to one of the preceding claims, in which the consumer connection ( 208 ) and / or the second connection ( 204 ) is executed by the load terminal interface by a charging circuit electrically decoupled. Schaltung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer dritten Schalteinrichtung (426), die zwischen dem Hilfsknoten (212) und dem Verbraucheranschluss (208) angeordnet ist.Circuit ( 200 ) according to one of the preceding claims, with a third switching device ( 426 ) between the auxiliary node ( 212 ) and the consumer connection ( 208 ) is arranged. Schaltung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, mit einer Schnittstelle zum Empfangen eines Messsignals (320), wobei das Messsignal (320) einer elektrischen Spannung zwischen dem ersten Anschluss (202) und dem zweiten Anschluss (204) repräsentiert.Circuit ( 200 ) according to one of the preceding claims, with an interface for receiving a measuring signal ( 320 ), where the Measuring signal ( 320 ) an electrical voltage between the first terminal ( 202 ) and the second connection ( 204 ). Ladungsschaltung (400) für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System (102) mit einer Schaltung (200) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche und mit einer Diode (422), die zwischen dem ersten Anschluss (202) und einem weiteren Anschluss (424) zum Verbinden der Ladungsschaltung (400) mit dem Fotovoltaik-System (102) angeordnet ist. Charge circuit ( 400 ) for energy management for a photovoltaic system ( 102 ) with a circuit ( 200 ) according to one of the preceding claims and with a diode ( 422 ) between the first port ( 202 ) and another connection ( 424 ) for connecting the charging circuit ( 400 ) with the photovoltaic system ( 102 ) is arranged. Verfahren (600) zum Betreiben einer Schaltung (200) für ein Energiemanagement für ein Fotovoltaik-System (102), wobei das Verfahren (600) die folgenden Schritte aufweist: Betreiben (610) einer Schaltung (200) gemäß Anspruch 1 in einem ersten Zustand des Ladens des zweiten Energiespeichers (216), wenn eine Spannungsänderung einer gemessenen Spannung einen vorbestimmten Änderungswert in einem vorbestimmten Zeitintervall unterschreitet, wobei die erste Schalteinrichtung (206) leitet und die zweite Schalteinrichtung (210) sperrt; und Betreiben (620) der Schaltung (200) in einem zweiten Zustand des Bereitstellens einer elektrischen Energie, wobei der erste Energiespeicher (214) hinzugeschaltet wird, wenn die gemessene Spannung einen vorbestimmten ersten Schwellenwert unterschreitet, wobei die erste Schalteinrichtung (206) sperrt und die zweite Schalteinrichtung (210) leitet. Procedure ( 600 ) for operating a circuit ( 200 ) for energy management for a photovoltaic system ( 102 ), the process ( 600 ) comprises the following steps: operating ( 610 ) a circuit ( 200 ) according to claim 1 in a first state of charging the second energy store ( 216 ), when a voltage change of a measured voltage falls below a predetermined change value in a predetermined time interval, wherein the first switching device ( 206 ) and the second switching device ( 210 ) locks; and operating ( 620 ) of the circuit ( 200 ) in a second state of providing an electrical energy, wherein the first energy store ( 214 ) is switched on when the measured voltage falls below a predetermined first threshold value, wherein the first switching device ( 206 ) and the second switching device ( 210 ). Verfahren (600) gemäß Anspruch 10, mit einem Schritt (630) des Betreibens der Schaltung (200) in einem dritten Zustand des Ladens des ersten Energiespeichers (214) und des zweiten Energiespeichers (216), wobei im Schritt (630) Betreibens der Schaltung (200) in dem dritten Zustand des Ladens die erste Schalteinrichtung (206) und die zweite Schalteinrichtung (210) der Schaltung sperren.Procedure ( 600 ) according to claim 10, with a step ( 630 ) of operating the circuit ( 200 ) in a third state of charging the first energy store ( 214 ) and the second energy store ( 216 ), wherein in step ( 630 ) Operating the circuit ( 200 ) in the third state of loading the first switching device ( 206 ) and the second switching device ( 210 ) lock the circuit. Verfahren (600) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 11, mit einem Schritt (640) des Betreibens der Schaltung (200) in einem vierten Zustand des Entkoppelns des ersten Energiespeichers (214), wenn die gemessene Spannung einen vorbestimmten zweiten Schwellenwert unterschreitet, um den zweiten Energiespeicher (216) vor einer Tiefentladung zu schützen, wobei die Schaltung eine dritte Schalteinrichtung (426) aufweist, die zwischen dem Hilfsknoten (212) und dem Verbraucheranschluss (208) angeordnet ist, wobei im Schritt (640) des Betreibens der Schaltung (200) in dem vierten Zustand des Entkoppelns die zweite Schalteinrichtung (210) und die dritte Schalteinrichtung (426) leiten, wenn die gemessene Spannung den vorbestimmten zweiten Schwellenwert unterschreitet.Procedure ( 600 ) according to one of claims 10 to 11, with a step ( 640 ) of operating the circuit ( 200 ) in a fourth state of decoupling the first energy store ( 214 ), when the measured voltage falls below a predetermined second threshold to the second energy storage ( 216 ) from deep discharge, the circuit having a third switching device ( 426 ) between the auxiliary node ( 212 ) and the consumer connection ( 208 ), wherein in step ( 640 ) of operating the circuit ( 200 ) in the fourth state of decoupling the second switching device ( 210 ) and the third switching device ( 426 ) when the measured voltage falls below the predetermined second threshold. Steuergerät (700), das ausgebildet ist, um alle Schritte eines Verfahrens (600) gemäß Anspruch 10 durchzuführen.Control unit ( 700 ), which is designed to handle all steps of a process ( 600 ) according to claim 10. Computerprogramm, das dazu eingerichtet ist, alle Schritte eines Verfahrens (600) nach Anspruch 10 durchzuführen.Computer program adapted to perform all steps of a procedure ( 600 ) according to claim 10. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 14.A machine-readable storage medium having a computer program stored thereon according to claim 14.
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RAISIGEL, H. ; CHABANIS, I. ; RESSJAC, M. ; TROUILLON, M.: Autonomous Wireless Sensor Node for Building Climate Conditioning Applications; 2010 Fourth International Conference on Sensor Technologies and Applications; IEEE
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