DE1590863A1

DE1590863A1 - Selbsttaetige Stromversorgungsanlage fuer Gleichstromverbraucher

Info

Publication number: DE1590863A1
Application number: DE19651590863
Authority: DE
Inventors: Georg Graeber; Guenter Strasen
Original assignee: VARTA DEUTSCHE EDISON AKKUMULA
Current assignee: VARTA DEUTSCHE EDISON AKKUMULA
Priority date: 1965-12-14
Filing date: 1965-12-14
Publication date: 1970-05-21
Also published as: FR1505032A; DE1590863B2

Description

Reg.-Nr. DP 11 a -ITraiikfur-VMain, den 25.8.1969

VARTA AKTIENGESELLSCHAFT

6 Frankfurt/Main, Neue Mainzer' Straße 5

Selbsttätige Stromversorgungsanlage für Gleichstromverbraucher

Die Erfindung betrifft eine selbsttätige Stromversorgungsanlage für Gleichstromverbraucher mit einer Gleichspannungsquelle, welche bei Normalbetrieb den Verbraucher mit Nennspannung versorgt und gleichzeitig eine zur Pufferung und Notversorgung dienende, in zwei Gruppen aufgeteilte Batterie auflädt, wobei die Batteriegruppen je parallel zur Gleichsparmungsquelle liegen und jeder Batteriegruppe je ein veränderlicher Vorwiderstand zugeordnet ist, und mit einer Umschaltvorrichtung, die bei Ausfall der Gleichspannungsquelle oder größeren Spannungsabsenkungen die beiden Batteriegruppen in Reihe schaltet, wobei die Reihenspannung beider Batteriegruppen ebenfalls etwa der Nennspannung entspricht.

Für Schalt- und Überwachungseinrichtungen von Stromversorgungsanlagen sind betriebssichere Energiequellen erforderlich. Man speist daher diese Anlagen vielfach mit Gleichstrom in Verbindung mit einer Batterie. Diese Betriebsweise wird im allgemeinen mit Pufferbetrieb bezeichnet. In derartigen Anlagen sind ein vom Netz gespeistes Ladegerät, z.B. ein Gleichrichter,, und die Batterie in Parallelschaltung mit dem Verbraucher verbunden. Die Batterie glättet den vom Gleichrichter gelieferten welligen Gleichstrom, fängt Spitzenbelastungen ab und übernimmt die Stromversorgung bei Netzausfall.

Die Problematik dieser bekannten Anlagen liegt insbesondere in

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fjeue Unterlagen (Art 7 § I Ab», 2 Nr. 1 Satz 3 de« Änderung··, v. 4.9.

der Schwierigkeit die vorgeschriebenen Spannungsgrenzen am Verbraucher einzuhalten. Diese Spannungsgrenzen sind dadurch bedingt, daß die Ladespannung der Batterie in jedem Fall höher liegt als die Nennspannung, diese Nennspannung aber auch bei langer andauernder Störung des Netzes eingehalten werden sollte.

Man ist daher gezwungen, den Versorgungsgleichrichter von vornherein auf den höchstzulässigen Spannungswert der Anlage auszuregeln und die Verbraucher bei vorhandenem Netz immer an der obersten Spannungsgrenze zu betreiben. Bei Netzausfall und dem damit verbundenen Entladen der Batterie sinkt die Klemmenspannung ab, bis sie einen untersten zulässigen Wert erreicht hat. Dieser liegt in vielen Fällen noch über der zulässigen Entladeschlußspannung der Batterie.

Die mittlere Spannungslage der Batterie liegt im flachen Teil der Batterie-Entladekurve, welcher etwa zwischen 20 % und 80 % der Kapazitätsentnahme auftritt. Da die Batterie bei Netzausfall aus der Dauerladung heraus betrieben wird, liegt der flache Teil der Entladung meist bereits erheblich unter der Hennspannung. Soll der Verbraucher im Laufe der weiteren Entladung nicht mit Unterspannung betrieben werden, so muß das Entladen in vielen Fällen bereits vor dem Erreichen der Batterie-Entladeschlußspannung abgebrochen werden. Die volle Batteriekapazität kann somit nicht ausgenutzt werden.

Spannungstoleranzen können innerhalb gewisser Grenzen nur dadurch vermindert werden, daß eine überdimensionierung der Batterie erfolgt, wodurch der untere Grenzspannungsweri? hoher liegt.

Eine v/eitere Möglichkeit ist die Aufteilung der Batterie in eine Stammgruppe und eine Zusatzgruppe von Zellen, die sogenannten Schaltzellen. Die Stammzellen liegen ständig parallel zum Verbraucher, die Schaltzellen werden erst bei einer bestiinmten unteren Spannungsgrenze der Stromquelle selbsttätig zugeschaltet. Bei Beginn der Ladung und steigender Spannung werden die Schaltzellen

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wieder abgeschaltet. Kit Hilfe eines BelastungswiderStandes wird dafür gesorgt, daß die ochaltzellen gleichmäßig entladen werden; damit allein ist Jedoch nicht gewährleistet, daß sie sich zu jeder Zeit im gleichen Zustand wie die Stammzellen befinden.

Eine selbsttätige Stromversorgungsanlage dieser Art, die zwei Batteriegruppen enthält, die bei Netzausfall in Reihe geschaltet v/erden, ist in der DAS 1 137 ^99 beschrieben. Die dort dargestellte Schaltung besitzt Jedoch wesentliche Nachteile. Beide Batteriegruppen liegen dort mit dem gleichen Pol (+Pol) über Widerstände an der Gleichstromversorgung. Um die Batterien bei Netzausfall hintereinander zu schalten, wird ein unverhältnismäßig hoher Aufwand an Schaltern benötigt. Die verwendeten Schütze müssen daher eine große Anzahl von Kontakten besitzen, d.h. die Anlage wird teuer und störungsanfällig.

Aus der DAG 1 136 764- ist weiter eine Schaltungsanordnung zum unterbrechungslonen Umschalten von Netzbetrieb auf Batteriebetrieb bekannt, die einen Zusatz-Gleichrichter enthält. Ein solcher Zusatz-Gleichrichter könnte eine zv/eite Batteriegruppe Jedoch nur dann ersetzen, wenn die Batterie in Erhaltungsladung, also mit sehr geringem Strom geladen wird. Sobald andere Ladeverfahren benutzt werden müssen» beispielsweise wenn die Batterie stärkeren Belastungen ausgesetzt wird, muß der Gleichrichter wesentlich stärker dimensioniert werden, d.h. er v/ird wesentlich teurer. Daneben geht dabei die Hälfte bzw. ein großer Teil der Kapazität der Batterie verloren, so daß entweder der verbleibende Batterieteil wieder groß er gewählt v/erden muß oder Spitzenbelastungen können nicht mehr zuverlässig aufgefangen werden.

Die Nachteile der bekannten Anlagen liegen also in der schlechten Batterieausnutzung, dem unnötigen Energieverbrauch, höheren Kosten durch Uberdinensionierung oder durch zusätzliche Zellen und in der schlechten Spannungslage dieser Anordnungen. Dazu sind teilweise recht aufwendige Schaltvorrichtungen und Kontrollvorrichtungen, z.

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B. zur Bestimmung des EinschaltZeitpunktes der Schaltzellen, notwendig.

Diese Nachteile werden bei der erfindungsgemäßen selbsttätigen Stromversorgungsanlage vermieden, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der negative Pol der ersten Batteriegruppe über eine Diode mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle und der positive Pol über einen einstellbaren Widerstand mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle, der positive Pol der zweiten Batteriegruppe über eine zweite Diode mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle und der negative Pol der zweiten Batteriegruppe über einen zweiten einstellbaren Widerstand mit dem negativen Pol der Spannungsquelle verbunden ist, und daß der positive Pol der ersten Batteriegruppe mit dem negativem Pol der zweiten Batteriegruppe über eine elektronische Schalteinrichtung, die bei Netzausfall oder Überlast die Batteriegruppen verbindet, zusammengeschaltet ist.

In Figur 1 ist eine Schaltvorrichtung zur Durchführung des neuen Verfahrens gezeigt.

Die Figur 2 stellt die Spannungskennlinie dieser Anordnung im Gegensatz zur Kennlinie einer bekannten Anordnung dar.

Anhand der Figur 1 soll der Erfindungsgedanke näher erläutert werden.

Die gesamte Batterie wird in zwei Gruppen 1 und 2 aufgeteilt, wobei die Gruppen gleicher oder verschiedener Zellenzahl sein können. Jede Gruppe wird aus demselben Ladegerät bzw. vom Netzgleichrichter 3 unabhängig voneinander geladen, wobei die Lademethode beliebig, z.B. Normal-, Erhaltungs- oder Dauerladung sein kann. Die Die Ladeströme in den Batteriegruppen 1 und 2 werden durch die Vorwiderstände 4 und 5 eingestellt, durch die Dioden 6 und 7 wird eine Entladung der Gruppen im Ruhezustand verhindert. Diese Rückstromsperrdioden können entfallen, wenn in den Ladekreisen der Batteriegruppen Schalter verwendet werden.

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Die Gruppe 1 wird· beispielsweise geladen über Widerstand 4· und Diode 6, Gruppe 2 über Widerstand 5 und Diode 7· Beide Batteriegruppen befinden sich jedoch stets im gleichen Ladezustand. Die Widerstände 4 und 5 können durch andere Bauelemente, die eine Stromregelung erlauben, ersetzt werden, beispielsweise durch magnetisch geregelte Bauelemente, wie Knickdrosseln und dergleichen. ' .

Bei Netzausfall werden die beiden Gruppen in Reihe geschaltet und speisen den Verbraucher 8. Die Reihenschaltung wird bewirkt durch das mit 9 bezeichnete Bauteil.

Da beim Laden der Batteriegruppen nicht die Summenspannung der Gruppen am Verbraucher liegt, werden die Batteriegruppen so dimensioniert, daß die Ladespannung einer Batteriegruppe unter der Gleichrichternennspannung bzw. der Verbraucherspannung liegt. Durch das unabhängige Laden der beiden Batteriegruppen v/ird also die Gesamtspannung bei Ruhestellung gleich oder größer sein als die Nennspannung, d.h. der flache Teil der Spannungskennlinie der Batterie wird in den Bereich der gewählten Nennspannung verschoben und ermöglicht so eine bessere Ausnutzung ihrer Kapazität.

Diese Verhältnisse sind in der Figur 2 dargestellt. Dabei stellt die Kurve 1 den Verlauf der Spannung bei einer bisher üblichen Anlage dar.

Im Beispiel soll die Nennspannung am Verbraucher TLt « 24 Volt betragen. Als zulässige obere Spannungsgrenze werden gewählt die Abweichungen + 10 %, bzw. - 15 % (Gemäß VDE 0108). Das entspricht einem oberen Spannungswert von U^ » 26,4- Volt und einem unteren Spannungswert von Up ^β 20,4- Volt. Die Dauerlade spannung der zu verwendenden Batterie darf also 26,4· Volt nicht überschreiten, d.h. bei einer Dauerladespannung der Einzelzelle von 1,4 bis 1,5 Volt sind 18 Zellen erforderlich. Diese 18 Zellen haben im Belastungafall mit Nennstrom eine mittlere Spannungslage von 1,2 Volt pro Zelle. Zwischen 20 % und 80 % Kapazitätsentnahme liegen die 18 ZeI-

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ien mit einer Gesamtspannung von 22,4 bis 21,2 Volt bereits erheblich unter der Nennspannung von 24 Volt. Im Laufe der Entladung fällt die Batteriespannung bis auf die untere Spannungsgrenze von 20,4 Volt. An dieser Stelle ist die Entladung zu beenden, obwohl die Entladung theoretisch bis zu einer Spannung von 19»8 Volt, d.h. bis zur EntladeSchlußspannung von 1,1 Volt pro Zelle fortgesetzt werden könnte. Die Kapazität der Batterie wird also nicht vollkommen ausgenutzt.

Die Kurve 2 zeigt den Spannungsverlauf beim erfindungsgemäßen Verfahren. Die Nennspannung soll wiederum 24 Volt betragen. Als Abweichungen sind die gleichen Werte wie oben zulässig. Gleich-_ richter und Verbraucher 'werden dann auf die Nennspannung von 24 Volt eingestellt, d.h. bei Netzbetrieb liegt immer die Nennspannung am Verbraucher. Für die Batterie werden im Beispiel 20 Zellen gewählt, die in zwei Gruppen zu jeweils 10 Zellen mit 1,4 Volt pro Zelle = 14 Volt Ladespannung geladen werden. Im Einschaltaugenblick (t=o), d.h. bei Reihenschaltung der Batteriegruppen liegt die Verbraucherspannung Ujt + 10 %_t das entspricht einer Einsatζspannung von 1,32 Volt pro Zelle am Verbraucher. Beim Erreichen der mittleren Spannungslage der Zellen von ca. 1,2 Volt pro Zelle liegt die gesamte Betriebsspannung bei etwa 24,2 Volt, d.h. bei U_n + 1 %, Die mittlere Abweichung von der Nennspannung ist also hier wesentlich geringer als bei den bekannten Verfahren und die Batterie wird dementsprechend besser ausgenutzt.

Im angeführten Beispiel der bekannten Schaltung müssen auf Grund der vorgegebenen Spannungsgrenzen 18 Zellen gewählt werden. Gemäß dem heuen Verfahren ist es jedoch möglich, die Zellenzahl rein vom Gesichtspunkt der optimalen Batterieausnutzung zu wählen, d.h. anstelle der im Beispiel genannten 20 Zellen können / auch je nach den gestellten Anforderungen hinsichtlich der Belastung auch 19 bis 21 Zellen verwendet werden. Je höher die Zellenzahl bei einer bestimmten vorgegebenen Nennspannung gewählt werden kann, desto niedriger werden Kosten, Kapazität und Volumen der Batterie.

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Die Umschaltung bei Netzausfall durch das Bauelement 9 Ka spielsweise durch zwischen den Schaltungspunkten 10 und 11 angebrachte Kontaktsätze eines Netzrelais oder eines Schützes ausgelöst werden oder um auf mechanische Bauteile gänzlich zu verzichten, durch einen elektronischen Schalter. Wegen der hohen Schaltgeschwindigkeit derartiger elektronischer Bauelemente läßt sich eine nahezu unterbrechungslose Umschaltung erreichen. Beispielsweise kann ein pnp-Transistor verwendet werden, dessen Emitter am Punkt 10 und dessen Kollektor am Punkt 11 liegt, die Basis wird über einen Widerstand und eine Sperrdiode an die Eingangsspannung gelegt, so daß" bei Ausfall der Eingangs spannung die Emitter-Koll'ektor-Strecke des Transistors leitend wird und die Batteriegruppen in Reihe schaltet. Als Steuerspannung des Transistors kann die Netzspannung oder die Ausgangsspannung des Gleichrichters verwendet werden.

Wenn die Batterie Spitzeifcelastungen aufnehmen soll, wird das Bauelement 9» z.B. ein Transistor über eine im Verbraucherstromkreis angeschlossene weitere Transistorstufe angesteuert, so daß es zum Beispiel bei plötzlichen Stromerhöhungen durchschaltet. In diesem Falle kann der Netzgleichrichter für geringe Leistungen ausgelegt werden, da kurzzeitige hohe Belastungen von der Batterie aufgefangen werden.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die über den gesamten Entladebereich günstige Spannungslage am Verbraucher sowie die kapazitätsmäßige günstige Ausnutzung der Batterie durch die oben beschriebene freie Wahl der Zellenzahl. Die mittlere Abweichung zwischen Nennspannung und Batteriespannung ist wesentlich geringer als bei bekannten Pufferschaltungen. Weiterhin ist keine Überdimensionierung der Batterie notwendig und aufwendige weitere Ladeeinrichtungen entfallen. Durch die gleichmäßige Ladung und Entladung der Batteriegruppen wird gleiche Lebensdauer sämtlicher Zellen erreicht.

- Patentansprüche -

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Claims

Reg.-Nr. DP 11 a . Preiikfurt/r.ain, den 25.8.1969 Pat ent ansprüche

1. Selbsttätige Stromversorgungsanlage für Gleichstromvorbraucher mit einer Gleichspannungsquelle, welche bei Normalbetrieb den Verbraucher mit Nennspannung versorgt und gleichzeitig eine zur Pufferung und Notversorgung dienende, in zwei Gruppen aufgeteilte Batterie auflädt, wobei die Batteriegruppen je parallel zur Gleichspannungsquelle_ liegen und jeder Batteriegruppe je ein veränderlicher Vorwiderstand zugeordnet ist, und mit einer Umschaltvorrichtung, die bei Ausfall der Gleichspannungsquelle oder größeren Spannungsabsenkungen die beiden Batteriegruppen in Reihe schaltet, wobei die Reihenspanmmg beider Batteriegruppen ebenfalls etwa der Nennspannung entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der negative Pol der Batteriegruppe (1) über eine Diode (6) mit dem negativen Pol der Gleichspannungsquelle (3) und der positive Pol über einen einstellbaren Widerstand (4) mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle (3), der positive Pol der Batteriegruppe (2) über eine Diode (7) mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle (3) und der negative Pol der Batteriegruppe (2) über einen einstellbaren '»ider stand (5) mit dem negativen Pol der Spannungsquelle (3) verbunden ist, und daß der positive Pol der Batteriegruppe (1) mit dem negativen Pol der Batteriegruppe (2) über eine elektronische Schalteinrichtung (9)ϊ die bei lietzausfall oder Überlast die Batteriegruppen verbindet, zusamnengeschaltet ist.

2. Selbsttätige Stromversorgungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schalteinrichtung (9) durch die Eingangs spannung angesteuert v/ird.

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, K^ oiJri Satz 3 des Änderunflsfles. v. 4.9. Ift-

\ ieue Unterlagen

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Selbsttätige Stromversorgungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische Schalteinrichtung (9) über eine im Verbraucherkreis liegende, durch die Belastung gesteuerte weitere Schaltvorrichtung angesteuert wird.

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