DE3404564A1 - Schaltungsanordnung zur optimalen nutzung von ueberschussenergie mit hilfe von elektrochemischen akkumulatoren - Google Patents

Description

Dr.- Ing. Hans Kurt Köthe

Fraunhofer - Institut für

Solare Energiesysteme

Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie

mit; Hilfe von elektrochemischen Akkumulatoren

Anwendungsgebiet:

Zweck:

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von öberschußenergie mit Hilfe von elektrochemischen Akkumulatoren, insbesondere bei Stromversorgungen mit regenerativen Energiequellen oder mit Primärenergiewandlern, die bei einer bestimmten Leistungsabgabe mit optimalem Wirkungsgrad arbeiten.

Bei solchen Stromversorgungen erfüllen die Akkumulatoren in der Regel Speicher- und Pufferfunktion, wobei sie dem momentanen Leistungsbedarf von angeschlossenen Verbrauchern mit dem momentanen Leistungsangebot des Primärenergiewandlers in Übereinstimmung bringen. Liegt von Seiten des Primärenergiewandlers Überangebot vor, das nicht ohne Nachteile gedrosselt werden kann, so sollen die Akkumulatoren dieses möglichst vollständig aufnehmen und bei späterem ungünstigen Verhältnis zwischen Energieangebot und Bedarf wieder abgeben können. Dieser Forderung nach unbegrenztem Aufnahmevermögen der Akkumulatoren sind von der Elektrochemie und der Technologie her Grenzen gesetzt, sodaß nach Schaltungsanordnungen gesucht wird, die zur Erzielung eines optimalen Ergebnisses beitragen, d.h. (a) zu einer möglichst vollständigen Speicherung der Oberschußenergie, (b) zu einem möglichst hohen Lade-/Entladewirkungsgrad, (c) zu einem möglichst wartungsfreien Betrieb der Akkumulatoren und (d) zu einer langjährigen Stabilisierung von deren Arbeitskapazität.

Stand der

Technik: Es ist bekannt, solche Schaltungsanordnungen so auszuführen, daß sie den Ladebetrieb der Akkumulatoren nach bestimmten, in einschlägigen Normen (s. DIN 41772) festgelegten Lade-Kennlinien sicherstellen. Diese Kennlinien beschreiben den Zusammenhang zwischen Ladestrom und Klemmenspannung der Akkumulatoren während des Ladeverlaufs. Dabei erhält man die Grundbestandteile der Ladekennlinien bei Anwendung der folgenden drei grundlegenden Anordnungen: (a) der Akkumulator wird aus einer Konstantspannungsquelle über einen Widerstand geladen (Ergebnis: W-Kennlinie; der Ladestrom fällt mit ansteigender Batteriespannung ab), (b) der Akkumulator wird aus einer Konstantstromquelle geladen (Ergebnis: I-Kennlinie; der Ladestrom bleibt während des Ladeverlaufs konstant) und (c) der Akkumulator wird ohne Vorwiderstand aus einer Konstantspannungsquelle geladen (Ergebnis: U-Kennlinie; der Ladestrom nimmt, ausgehend von einem durch die Leistung der Konstantspannungsquelle begrenzten Anfangs!adestror, in der Folge etwa exponentiell ab). In der Praxis werden diese Grundbestandteile oft kombiniert, wobei "zusammengesetzte" Ladekennlinien entstehen.

In Stromversorgungen mit regenerativen Energiequellen, bei denen auf eine große Wartungsfrei heit Wert gelegt wird, eignet sich für gasdichte Akkumulatoren am besten das Laden nach der !-Kennlinie. Das Laden nach der W-Kennlinie ist nicht angebracht, da es bei gasdichten Akkumulatoren zum "thermal runaway" und bei nichtgasdichten Akkumulatoren zum Eintritt in die Gasung und damit zum Verlust der Wartungsfreiheit führen würde.

Für nicht-gasdichte Akkumulatoren, also für sogenannte "geschlossene" oder "offene" Ni/Cd- und Bleiakkumulatoren führt das Laden nach der U-Kennlinie zu einem batterieschonenden, weitgehend wartungsfreien Betrieb.

Kritik des Alle gebräuchlichen Einrichtungen, mit denen die Ladekennlinien Standes der nach DIN 41 772 realisiert werden, tragen generell dem Umstand Technik: Rechnung, daß bei Akkumulatoren mit dem Erreichen der Gasungsspannung die Ladeleistung auf bestimmte, für die Akkumulatoren zuträgliche Werte begrenzt werden muß, um exzessive Gasung zu vermeiden oder diese nahezu vollständig zu unterbinden. Tatsache ist aber, daß Akkumulatoren bei Anwendung der Nennladeströme beim Erreichen der Gasungsspannung noch nicht vollständig geladen sind; der erreichte Füllgrad liegt dann meist erst zwischen 90 und 95 %. Andererseits ist es aber erforderlich, daß Akkumulatoren, die im Zyklenbetrieb betrieben werden, von Zeit zu Zeit vollständig aufgeladen werden, damit bleibender Kapazitätsverlust vermieden wird.Vermeidet man beim Volladen durch Ladestromreduktion den Eintritt in die Gasung, so nimmt dies viele Stunden oder gar Tage in Anspruch.

Die Einrichtungen, die beim Laden der Akkumulatoren den durch diese vorgegebenen Einschränkungen bezüglich der anwendbaren Ladeleistung Rechnung tragen, können beim Einsatz in Stromversorgungen mit regenerativen Primärenergiequellen nicht befriedigen, denn sie erfüllen nicht die Bedingung, daß jederzeit die verfügbare Überschußleistung an den Akkumulator abgeliefert werden kann. So ist beispielsweise bei akkumulatorgestützten photovoltaischen Inselbetrieb-Systemen bei normaler Auslegung an Tagen mit guter Sonneneinstrahlung der Ladestrom schon ab Mittag zu reduzieren, was einer schlechten Ausnutzung der angebotenen Strahlungsenergie gleichkommt, wenn ihn der Verbraucher nicht aufzunehmen vermag. Bei windelektrischen Systemen liegen die Verhältnisse ähnlich.

Aufgabe: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung anzugeben, bei der einerseits die angebotene Ladeleistung vollständig genutzt werden kann, und bei der andererseits sichergestellt wird, daß bei dem Akkumulator kein auf unvollständiges Laden zurückzuführender bleibender Verlust an Arbeitskapazität auftritt.

Lösung: Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Akkumulator nach der Vorschrift in mehrere Einheiten aufgeteilt ist, daß sich seine Kapazität als Summe der Kapazitäten der einzelnen Einheiten ergibt, und daß diese Einheiten durch die Schaltungsanordnung so betrieben werden, daß eine erste Einheit vorrangig so lange mit der gesamten Oberschußleistung geladen wird wie dies ohne Nachteile für den Akkumulator und dessen Wartungsfreiheit, d.h. schadlos,möglich ist, und daß anschließend die von der ersten Einheit nicht mehr schadlos zu verarbeitende öberschußleistung der zweiten Einheit zugeführt wird, bis auch diese die ihr angebotene Ladeleistung nicht mehr schadlos aufnehmen kann, wonach die bei der zweiten Einheit auftretende überschüssige Ladeleistung an die nächstfolgende Einheit weitergereicht wird und so fort, wobei durch entsprechende Auslegung der Gesamtkapazität der einzelnen Einheiten sichergestellt ist, daß der letzten Einheit nur so lange die volle Überschußleistung angeboten wird, wie sie diese schadlos aufnehmen kann.

Bei einer Variante der Erfindung erfolgt die Aufteilung des Akkumulators oder Speichers in zwei oder mehr Einheiten unterschiedlicher Kapazität, wobei diejenige mit der kleinsten Kapazität bevorzugt geladen wird, dann diejenige mit der nächst größeren Kapazität und so fort. Diese Variante kann mit Vorteil eingesetzt V/erden, wenn die verschiedenen Einheiten den Zweck haben, unterschiedlich lange zu speichern, wenn man also beispielsweise einen saisonalen Speicher, einen Wocherispeicher und einen Tagesspeicher einsetzt. Natürlich ist es dabei grundsätzlich möglich, durch entsprechende logische Verknüpfungen beim Laden gewisse Änderungen in der Rangfolge für bestimmte Zeiten einzuführen.

Bei einer anderen Variante der Erfindung erfolgt die Aufteilung des Akkumulators oder Speichers in mehrere Einheiten gleicher Kapazität, wobei die Auslegung so gewählt ist, daß die in der Rangfolge beim Laden am Ende stehende im Normalbetrieb nur eine Teilladung erfährt. Nach einer Reihe von Zyklen wird die rangmäßig letzte Einheit an die Stelle der ersten Einheit gesetzt und diese sowie alle anderen rücken einen Rang zurück. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß auch die jeweils letzte Einheit periodisch in den Zustand der Volladung gebracht wird.

Bei der einfachsten Ausführung der Erfindung wird der Akkumulator in nur zwei Einheiten gleicher Nennspannung und Kapazität aufgeteilt, und die erste Einheit wird bevorzugt mit der gesamten Überschußleistung geladen solange dies ohne Nachteil und Einbuße an Wartungsfrei heit zulässig ist, d.h. mit derjenigen Leistung P_L, die nach Abzug der Verbraucherleistung Py von der Leistung des Energiewandlers P^ verbleibt. Wenn die erste Einheit die gesamte verfügbare Ladeleistung nicht mehr schadlos aufnehmen kann, dann wird die überschüssige Ladeleistung der zweiten Einheit zugeführt, wobei durch Auslegung der Speicherkapazität und Funktion der Schaltungsanordnung sichergestellt ist, daß die gesamte, bei der ersten Einheit überschüssige Ladeleistung nicht oder nur in Ausnahmefällen im Verlauf der Ladeperiode dazu führt, daß auch die zweite Einheit die ihr angebotene Ladeleistung nicht mehr schadlos aufnehmen kann. Tritt dieser Ausnahmefall auf, so wird die bei der zweiten Einheit überschüssige Ladeleistung an die Umgebung abgeführt.

Bei allen diesen Schaltungsvarianten zur Lösung der Aufgabe wird die Eigenschaft der Akkumulatoren ausgenutzt, daß sie bei entsprechender Abstimmung auf die Leistungsfähigkeit des Primärenergieumwandlers im teilgeladenen Zustand, jeden verfügbaren Ladestrom aufnehmen können, ohne daß dabei ihre Ladespannung auf das Gasungspotential ansteigt, und daß ein Lade-/Entladebetrieb über eine gewisse Anzahl von Zyklen möglich ist, ohne daß der Akkumulator mehr als einige Prozente an Arbeitskapazität verliert, die zudem noch wiederzugewinnen sind, wenn der Akkumulator anschließend über eine gewisse Anzahl von Zyklen immer wieder mit Ladefaktoren größer 1 geladen oder für längere Zeit mit einem sehr kleinen Ladestrom,der nicht zur Gasung führt,, im Dauerladebetrieb betrieben wird.

Als Zeichen für das Erreichen der Grenze, bei der die Speichereinheit nicht mehr in der Lage ist, die ihr angebotene Ladeleistung aufzunehmen, können je nach Akkumulatorbauart verschiedene Kriterien dienen.

340456Α

Beschreibung
von Ausführungsbeispielen:

Generell gilt als Grenze bei allen Akkumulatoren das Einsetzen einer verstärkten Gasentwicklung (Wasserzersetzung). Bei geschlossenen» d.h. nicht-gasdichten Akkumulatoren, beobachtet man danach einen raschen Spannungsanstieg, an dessen Anfang das überschreiten der sogenannten "Gasungsspannung" steht, die im übrigen mit zunehmender Temperatur absinkt. Man kann demnach das verstärkte Gasen selbst oder das überschreiten der Gasungsspannung als Kriterium für das Erreichen der Grenze des "Ladens ohne Nachteile" mit dem angewendeten Ladestrom verwenden. Mit Vorteil verwendet man eine Spannungsschwelle, die etwas unterhalb der Gasungsspannung liegt und paßt sie außerdem automatisch der Batterietemperatur an.

Bei gasdichten Akkumulatoren ist der Spannungsanstieg mit dem Einsetzen der Gasung meist wenig ausgeprägt, dafür steigt aber die Zellentemperatur schnell an. Hier kann man demnach den Temperaturanstieg als Kriterium anwenden. Daneben ist es auch möglich, den Füllgrad der Batterie mit Amperestundenintegratoren zu verfolgen und deren Angaben als Kriterien für Lade- und Entmelder zu nützen.

Im folgenden werden anhand von Fig. 1 bis Fig. 8 Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und funktionsmäßig erläutert.

Fig. 1 zeigt das Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung für zwei Einheiten mit gleicher Nennspannung und gleicher oder auch unterschiedlicher Kapazität, die mit Elementen ausgestattet ist, die immer der Einheit 1 Priorität beim Laden geben und der Einheit 2 Priorotät beim Entladen. Auf diese Weise stellen die Elemente sicher, daß die Einheit 1, sofern ausreichend Primärenergieangebot vorhanden ist, immer wieder zur Volladung kommt, während der Einehit 2 immer wieder vollständig entladen wird und beim Laden im Teil!adebetrieb betrieben wird.

Die Funktionsweise und eine mögliche Ausführungsart der Elemente der Schaltungsanordnung sei im folgenden Beispiel eines photovoltaischen, im Inselbetrieb arbeitenden Systems beschrieben, dessen Blockschaltbild der Fig. 1 entspricht.

Der Akkumulator sei ein Bleiakkumulator, der in die Speichereinheiten 1 und 2 aufgeteilt ist. Einheit 1 hat beim Laden Priorität, Einheit 2 beim Entladen. Als Primärenergiewandler 3 diene ein Solargenerator (photovoltaischer Energiewandler), der die mit der Intensität E_e (Watt) auftreffende Strahlungsenergie direkt in elektrische Energie umwandelt. Ein solcher Solargenerator zeigt die in Fig. 2 dargestellte Abhängigkeit zwischen Klemmenspannung und Belastungsstrom bei verschiedenen Strahlungsintensitäten; wesentlich ist, daß der Kurzschlußstrom nur wenig höher ist als der Betriebsstrom bei normaler Betriebsspannung; dies ermöglicht das gefahrlose Kurzschließen von Solargeneratoren. Der vom Solargenerator gelieferte Strom wird bevorzugt über die Diode 5 der Speichereinheit 1 zugeführt. Dies wird sichergestellt durch das Regelglied 11, das das Stellglied 7 solange sperrt, wie die Zellenspannung nicht auf die Grenzladespannung Ug angestiegen ist, die knapp unterhalb der Gasungsspannung der Speichereinheiten 1, 2 liegt. Wird diese Spannung erreicht, so veranlaßt das Regelglied 11, daß das Stellglied 7 den Oberschußstrom, den die Speichereinheit 1 nicht verarbeiten kann, ohne die Grenz- Ladespannung zu überschreiten, über die Diode 6 an die Speichereinheit 2 leitet. Kann diese Einheit den Oberschußstrom ausnahmsweise nicht voll übernehmen, so öffnet das Regelglied 12 das Stellglied 8 entsprechend und leitet den bei Speichereinheit 2 auftretenden Überschußstrom direkt zum Solargenerator 3 zurück. Die Stellglieder 7, 8 können in verschiedener Weise ausgeführt werden; grundsätzlich sind mechanische Elemente und Halbleiterbauelemente einsetzbar. In einer bevorzugten Ausführung werden Enhancement-N-Kanal-MOS-FET, sogenannte V-MOS-Leistungstransistören als Stellglieder verwendet. Sie haben den Vorteil, daß sie praktisch leistungslos angesteuert werden können und unmittelbare Parallelschaltung zwecks Leistungserhöhung erlauben, und daß sie im durchgesteuerten Zustand relativ niedrige Innenwiderstände besitzen, wodurch in diesem Zustand niedrige Verlustleistungen auftreten. Die Ansteuerung der Stellglieder 7, 8 durch die Regelglieder 11, 12 kann entweder so erfolgen, daß sich eine proportionale Regelung ergibt (s. Fig. 3a), oder daß sie nur den gesperrten und den durchgeschalteten Zustand erfahren (Zweipunktregelung, s. Fig. 3b).

Bei den Ladespannungsbegrenzern wird bei der bevorzugten Ausführung der Erfindung der Zweipunktreglerbetrieb in der Art von Fig. 3b eingesetzt, da er zu extrem niedriger Wärmedissipation bei den Stellgliedern führt und dennoch eine vollständige Nutzung der angebotenen Strahlungsenergie erlaubt. Dabei wird das Stellglied 7 jeweils gesperrt, wenn die Spannung an den Klemmen der Speichereinheit 1 um einen gewissen Betrag AU der z.B. bis zu 200 mV je Akkumulatorzelle betragen kann, vorzugsweise aber zwischen 50 und 100 mV je Akkumulatorzelle gewählt wird, unter den vorgegebenen Grenzwert für die Ladespannung abgesunken ist. Mit dieser Sperrung des Stellgliedes 7 gelangt der volle Solargeneratorstrom an die Akkumulatoreinheit 1, was zu einem relativ raschen Erreichen der vorgegebenen Grenz-Ladespannung IL führt, womit das Regelglied 11 das Stellglied 7 wieder leitend durchsteuert und damit den gesamten Strom der teilgeladenen Speichereinheit 2 zuführt, die ihn erfindungsgemäß solange aufzunehmen vermag, bis das Stellglied 7 wieder gesperrt wird, und so fort.

Fig. 4 zeigt den prinzipiellen Verlauf von Strömen und Spannungen bei dieser Ausführungsvariante mit zwei Speichereinheiten. Die Einschaltzeiten des Ladestromes werden für Einheit 1 im Verlauf der Entladung immer kurzer, diejenigen für Einheit 2 entsprechend langer.

Für den Verbraucher 4 wird mit Vorteil das folgende Versorgungsschema festgelegt werden (Varianten hiervon sind denkbar, sofern sie das bevorzugte Laden der Speichereinhei't 1 sicherstellen):

- immer wenn die Speichereinheit 2 eine untere Füllgradmarke unterschreitet, die durch die Entladeschlußspannunq oder eine knapp darüber liegende "Warnspannung" charakterisiert sein kann, wird der Verbraucher 4 von ihr abgetrennt und mit der Speichereinheit 1 verbunden.

- immer wenn bei der Speichereinheit 1 ein bestimmter Ladespannungsbereich, der ausgehend von der Ladegrenzspannung um einen gewissen Betrag nach unten reicht, nach unten hin verlassen wird, wird der Verbraucher 4 von ihr abgetrennt und

mit der Speichereinheit 2 verbunden, sofern deren Klemmspannimg nicht in einem Spannungsbereich liegt, der ausgehend von der Ladeschiusßspannung oder der Warnspannung um einen gewissen Betrag nach oben reicht.

- immer wenn bei der Speichereinheit 1 ein Tiefentladefall auftritt, wird der Verbraucher 4 von der Speichereinheit 1 so lange abgetrennt, bis diese wieder auf einen gewissen FUlT-grad gebracht ist, der für gewisse Zeit störungsfreie Versorgung des Verbrauchers 4 sicherstellt.

Das beschriebene Programm wird durch die Zusammenarbeit der Stell· glieder 9, 10, der Regel glieder 13, 14 und der Steuerglieder 15 bis 18 verifiziert.

Die Stellglieder 9, 10 können ebenso wie die Stellglieder 7, 8 mechanische oder Halbleiterbauelemente sein. Bei der bevorzugten Ausführung der Schaltungsanordnung werden auch hier V-MOS-Transistoren eingesetzt, die praktisch leistungslos angesteuert werden können, und die im durchgesteuerten Zustand geringe Innenwiderstände haben. Neben den beiden Zuständen EIN und AUS wird dabei mit Vorteil auch die Möglichkeit genutzt, die Ausgangsspannung des Systems zu begrenzen, was oft erwünscht ist. In Fig. 5 sind Schaltungen für den EIN/AUS-Betrieb (Zweipunktregler, Fig. 5a) und den Begrenzer-Betrieb ( Proportional-Regler, Fig. 5b) angegeben; der schaltungsmäßige Aufwand ist in beiden Fällen praktisch gleich, es ist jedoch zu berücksichtigen, daß beim Begrenzerbetrieb eine erheblich höhere Wärmedissipation im Stellglied 9, 10 auftritt).

In den Zustand der Regelglieder 13, 14 kann die Logikschaltung eingreifen, die aus den Elementen 15 bis 18 der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 besteht. Eine mögliche Ausführungsform der Logikschaltung, mit der sich das ober beschriebene Programm für die Speichereinheiten 1, 2 und den Verbraucher 4 in einem solarelektrischen System realisieren läßt, ist in Fig. 6 dargestellt. Sie umfaßt den Lademelder 15, den Entlademelder 16, die Steuerlogik 17 und den Entlademelder 18.

"**"" 340456Λ

Die Ausgänge der verschiedenen Melder führen entweder ein bestimmtes hohes Potential von mindestens 4 bis 8 Volt (H-Potential) oder sie führen ein bestimmtes niedriges Potential zwischen einigen hundert mV bis zu etwa. 1 Volt (L-Potential). Die Steuerlogik 17 ist so aufgebaut, daß die Stellglieder 9, dann im leitenden Zustand sind, wenn an dem betreffenden Ausgang A, B Η-Potential anliegt. Der Transistor T3 in der Steuerlogik bewirkt, daß der Ausgang B stets auf L-Potential liegt, wenn der Ausgang A das Η-Potential führt und umgekehrt.

Die Funktion der Logikschaltung soll anhand des Tag-/Macht-Rhythmus bei einem solarelektrischen System erläutert werden; es sei hier angemerkt, daß sie ohne weitere Abänderung auch in windelektrischen Systemen oder sonstigen Systemen mit regenerativen Primärquellen oder Stromerzeugungsaggregaten eingesetzt werden kann, deren Leistung konstant oder naturgegebenen Schwankungen unterworfen ist, und daß dabei die Bemessung der Kapazitäten der Speichereinheiten 1, 2 keine Rolle spielt.

Zur Erklärung sei angenommen, daß die Speichereinheit 2 in der Nacht auf ihre Warnspannungsmarke U, (s. Fig. 7) entladen wurde und dementsprechend der Verbraucher 4 an die Speichereinheit 1 angeschlossen wurde. Letzteres hat der Entlademelder 16 bewirkt, ein Spannungskomparator mit Hysterese nach Fig. 6. Da die Spannung am nicht-invertierenden Eingang des IC 2 mit dem Unterschreiten der Warnspannung U_w unter die Referenzspannung am invertierenden Eingang fällt, geht der Ausgang von IC 2 dabei auf L-Potential, macht dadurch den Transistor T 2 leitend und bringt die Basis der Transistoren T 3, T 4 ebenfalls auf L-Potential, womit beide gesperrt sind und der Ausgang A auf Η-Potential übergeht, während der Ausgang B dadurch auf L-Potential geführt wird, daß die Basis von Transistor T 5 auf Η-Potential gebracht und der Transistor T 5 im Gefolge durchgesteuert wird.

Welches Ausgangssignal der Lademelder 15 zu dem beschriebenen Umschaltzeitpunkt auch immer gehabt hat: durch Transistor T 2 sind die Basen der Transistoren T 3 und T 4 auf L-Potential gezogen und diese damit gesperrt.

4Q

Nun kommt der Morgen, die Speichereinheit 1 wird bevorzugt geladen und zwar mit dem Anteil des vom Solargenerator 3 gelieferten Stromes» den der Verbraucher 4 übrig läßt. Verbleibt dabei kein Ladestrom mehr oder muß die Batterieeinheit 1 gar Strom liefern, um den Verbraucher 4 zu befriedigen, so ändert sich nichts an den Ausgängen der Steuerlogik 17. Erst dann, wenn im Verlauf des Tages soviel bei Speichereinheit 1 überschüssige Ladung zu Speichereinheit 2 gelangt ist, daß der Hysteresebereich des Entlademelders 16 nach oben überschritten wird, der Ausgang von Entlademelder 16 also Η-Potential führt, wird die Sperre der Transistoren T 3 und T 4 aufgehoben. Damit gehen sofort Ausgang A der Steuerlogik auf L-Potential und Ausgang B auf H-Potential, wenn dies nicht durch den Lademelder 15 verhindert wird. Dieser tut dies aber, wenn der Ausgang von IC 1 Η-Potential führt, und dies ist der Fall, wenn sich die Ladespannung der Speichereinheit 1 zwischen der Grenz-Ladespannung IL und einer etwa 20 bis 100 mV je Zelle darunter liegenden Schwelle bewegt, also innerhalb des Hysteresebereichs des Lademelders 15, siehe Fig, 7b. Dies hat für das System den Vorteil, daß dem Verbraucher 4 die Energie direkter und somit verlustfreier zugeleitet wird.

Gegen Abend wird der Ladestrom der Speichereinheit 1 so klein werden, daß der Hysteresebereich "des Lademelders Δ U _L1 nach unten verlassen wird, womit der Ausgang von IC 1 auf L-Potential geht, T 1 gesperrt wird und das Η-Potential, das voraussetzungsgemäß am Ausgang von IC 2 ansteht, das Durchsteuern der Transistoren T 3 und T 4 bewirkt, womit Speichereinheit 2 nun bevorzugt bis zur Ladeschluß- oder bis zur Warnspannungsmarke entladen wird, wonach dann wieder der Verbraucher 4 an Speichereinheit 1 angeschlossen wird und so fort.

Sollte in Extremfällen dabei auch Speichereinheit 1 tief entladen werden, so schaltet der Entlademelder 18, ebenfalls ein Spannungskomparator mit Hysterese, für dessen Schaltschwellen in Fig. 7c ein Beispiel angegeben ist, den Verbraucher 4 dadurch

■η-

ab, daß er den Ausgang A, der in solchen Fällen (bei leerer Speichereinheit 2) von dem Entlademelder auf H-Potential gehalten wird, auf L-Potential zieht.

Wie die Schaltungsanordnung sinngemäß mit Hilfe der beschriebenen Elemente auf Systeme mit drei Batterieeinheiten und mehr erweitert werden kann, ist dem Blockdiagramm der Fig. 8 zu entnehmen.

Wird hier von der Speichereinheit 2 im Ladebetrieb ebenfalls die Grenzladespannung Ug erreicht, so veranlaßt das Regel glied 12, daß das Stellglied 8 den Oberschußstrom, den die Speichereinheit nicht verarbeiten kann, über die Diode 6a der dritten Speichereinheit 2 a zuleitet. Diese letztgenannte Speichereinheit wird durch Regelglied 12 a und Stellglied 8a gegen unverträgliche Ladeströme geschützt. In Bezug auf die Ausführung und Funktion der Komponenten, deren Bezeichnung mit dem Zusatz "a" versehen ist, gelten hier wie auch im folgenden die gleichen Bemerkungen, wie für die oben beschriebenen Komponenten ohne den Zusatz "a".

Demnach wird gegen Abend mit zurückgehendem Ladestrom bei Speichereinheit 1 der Hysteresebereich des Lademelders 15 nach unten verlassen, wodurch der Verbraucher 4 an die Speichereinheit 2 angeschlossen wird. Hier jedoch liegt für den Lademelder 15a die Spannung an der Speichereinheit 2 ebenfalls unterhalb seines Hysteresebereiches, und er veranlaßt über die Steuerlogik 17a, daß der Verbraucher 4 durch das Regel glied 14a und das Stellglied 10a mit der Speichereinheit 2a so lange verbunden bleibt, bis deren Entlademelder 16a das Zurückschalten des Verbrauchers 4 auf die Speichereinheit 2 bewirkt, womit im weiteren Verlauf die gleichen Vorgänge ablaufen, die bereits bei der Erläuterung der Funktionsweise der Schaltung nach Blockschaltbild Fig. 1 beschrieben wurden.

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Claims (13)

1. 3 Ζ, Π Z₁ 5 6

   Dr.- Ing. Hans Kurt Köthe

   Fraunhofer - Institut für

   Solare Energiesysteme

   Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Oberschußenergie

   it :i't^v ν·η

   Patentansprüche

   Oberbegriff: · 1. !Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von überschuß-"" energie mit Hilfe von elektrochemischen Akkumulatoren,

   insbesondere bei Stromversorgungen mit regenerativen Energiequellen oder mit Primärenergiewandlern, die bei einer bestimmten Leistungsabgabe mit optimalem Wirkungsgrad arbeiten, dadurch gekennzeichnet, daS

   der Akkumulator nach der Vorschrift in mehrere Einheiten aufgeteilt ist, daß sich seine Kapazität als Summe der Kapazitäten der Einheiten ergibt, und daß diese Einheiten durch die Schaltungsanordnung so betrieben werden, daß eine erste Einheit vorrangig so lange mit der gesamten Überschußleistung geladen wird, wie dies ohne Nachteile für den Akkumulator und dessen Wartungsfreiheit, d.h. schadlos, möglich ist, und daß anschließend die von der ersten Einheit nicht mehr schadlos zu verarbeitende ÜberschiuSleistung der zweiten Einheit zugeführt wird, bis auch diese die ihr angebotene Ladeleistung nicht mehr schadlos aufnehmen kann, wonach die bei der zweiten Einheit auftretende überschüssige Ladeleistung an die nächstfolgende Einheit weitergereicht wird und so fort, wobei durch entsprechende Auslegung der Gesamkapazität der einzelnen Einheiten sichergestellt ist, daß der letzten Einheit nur so lange die volle Überschußleistung angeboten wird, wie sie diese schadlos aufnehmen kann.
2. 2. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß

   der Akkumulator in mehrere Einheiten, vorzugsweise gleicher Nenspannung aber unterschiedlicher Kapazität aufgeteilt ist, wobei vorzugsweise derjenige Speicher mit der größten Kapazität bevorzugt geladen wird, danach derjenige mit der nächstkleineren Kapazität und so fort, bis schließlich dem Speicher mit der kleinsten Kapazität Ladung zugeführt wird.
3. 3. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß

   der Akkumulator in mehrere Einheiten gleicher Nennspannung und gleicher Kapazität aufgeteilt ist, und daß nach einer Reihe von Zyklen der letzte Speicher bei der Ladung rangmäßig an die Stelle des ersten tritt, und daß dieser sowie alle weiteren rangmäßig auf ihn folgenden rangmäßig eine Stelle zurücktreten.
4. 4. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach Anspruch 3,

   dadurch gekennzeichnet, daß

   der Akkumulator in nur zwei Speichereinheiten (1, 2) gleicher Nennspannung und Kapazität aufgeteilt ist, und daß zunächst die Speichereinheit 1 von einem Primärenergiewandler 3 auf dem Wege über eine Sperrdiode 5 geladen wird, während ein Stellglied 7 so lange verhindert, daß der Speichereinheit 2 Ladestrom zufließt, bis der Füllgrad der Speichereinheit 1 ihren festgelegten Grenzwert erreicht hat, und daß anschließend ein Stellglied 7 durch einen Begrenzungsregler 11 so angesteuert wird, daß die bei der Speichereinheit 1 überschüssige Ladeleistung über eine Sperrdiode 6 der Einheit 2 zugeführt wird.
5. 5. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach Anspruch 4,
   dadurch gekennzeichnet, daß

   für den Fall, daß auch die Speichereinheit 2 die ihr angebotene Ladeleistung nicht mehr voll verarbeiten kann, ein Stellglied durch einen Begrenzungsregler 12 so angesteuert wird, daß die überschüssige Ladeleistung für die Speichereinheit 2 unschädlich gemacht wird.
6. 6. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß

   als Kriterien für das Ladeleistungsaufnahmevermögen die Ausgangssignale von Schwellwertmeldern mit Hysterese eingesetzt werden, welche beispielsweise auf Spannungsschwellen, Temperaturschwellen oder Amperestundenbilanzschwellen ansprechen und damit signalisieren, daß die Speicherzellen die angebotene Ladeleistung nicht mehr in vollem Umfang aufnehmen können (Lademelder) bzw. daß die Entladung in Kürze oder sofort abgebrochen werden muß, wenn die Speicherzellen nicht in irgendeiner Weise geschädigt werden sollen (Entlademelder).
7. 7. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von"Überschußenergie nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet-, daß die Lademelder wahlweise auf eine Ladegrenzspannung, auf Gasbildung, auf eine obere Schwelle der Amperestundenbilanz cder auf eine Ladegrenztemperatur ansprechen, und daß die Entladeir.elder wahlweise auf eine Entladeschlußspannung oder auf eine untere Schwelle der Amperestundenbilanz ansprechen.
8. 8. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach Anspruch 7,
   dadurch gekennzeichnet, daß

   die besagten Spannungsschwellen automatisch eine Anpassung an die jeweilige Batterietemperatur erfahren.
9. 9. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach Anspruch 8,

   dadurch gekennzeichnet, daß

   einerseits die Lademelder auf eine Grenzladespannung ansprechen, die mehr oder weniger dicht unterhalb der sogennanten Gasungsspannung liegt

   und daß ihr Ausgangssignal so lange erhalten bleibt, wie die Ladespannung nicht um einen gewissen Betrag unter die Grenzladespannung abgesunken ist (Lademelder-Hysterese), und daß andererseits die Entlademelder entweder auf die Entladeschlußspannung ansprechen oder auf die Warnspannung,

   einen Schwellenwert, der um einen gewissen Betrag über der der Entladespannung liegt, und bei dessen Erreichen man im Verlauf einer Entladung weiß, daß der Entladeschluß kurz bevor steht, und daß die Ausgangssignale der Entlademelder so lange erhalten bleiben, bis die Zellenspannungen um einen gewissen Betrag angestiegen sind (Entlademelder - Hysterese)
10. 10. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß

    ein Verbraucher 4 mittels eines Stellgliedes 9 mit der Speichereinheit 1 verbunden ist, wenn sich deren Spannung im Bereich der Hysterese eines Lademelders 15 befindet, daß der Verbraucher 4 mittels des Stellgliedes 9 von der Speichereinheit 1 abgetrennt und mit der Speichereinheit 2 verbunden ist, wenn die Spannung der Speichereinheit 1 unterhalb des Hysteresebereichs des Lademelders 15 liegt, und wenn die Spannung der Speichereinheit 2 oberhalb der Ansprechschwelle eines Entlademelders 16 liegt,

    daß der Verbraucher 4 mittels Stellglied 9 mit der Speichereinheit 1 verbunden ist, wenn deren Spannung unterhalb des Hysterese-Bereiches des Lademelders 15 liegt, und wenn gleichzeitig nach vorangegangenem Erreichen der Ansprechschwelle des Entlademelders 16 die Spannung der Speichereinheit 2 innerhalb des Hysteresbereichs des Entlademelders 16 liegt, und daß schließlich der Verbraucher mittels Stellglied 9 von der Speichereinhsit 1 und mittels Stellglied 10 von der Speichereinheit 2 abgetrennt ist, wenn nach vorangegangenem Erreichen der Ansprechschwelle des Entlademelders 18 die Spannung der Speichereinheit 1 innerhalb des Hysteresebereichs des Entlademelders 18 liegt und gleichzeitig nach vorangegangenem Erreichen der Ansprechschwelle des Entlademelders 16 die Spannung der Speichereinheit 2 innerhalb des Hysteresebereichs des Entlademelders 16 liegt.
11. 11. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach Anspruch 10,

    dadurch gekennzeichnet, daß

    als Stellglieder VMOS-Leistungstransistoren eingesetzt werdsn, daß alle Regel- und Steuergleider 11 bis 16 und 18 als Spannungskomparatoren mit Hysterese aufgebaut sind, und daß durch eine Logikschaltung 17 sichergestellt ist, daß stets nur eine oder keine der beiden Speichereinheiten 1, 2 mit dem Verbraucher 4 verbunden ist.
12. 12. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach Anspruch 11,

    dadurch gekennzeichnet, daß

    die Regelglieder 13, 14 als Proportional-Begrenzer ausgeführt sind.
13. 13. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß

    die Regleglieder 11, 12 als Proportionalregler aufgebaut sind.