DE3404564A1 - Schaltungsanordnung zur optimalen nutzung von ueberschussenergie mit hilfe von elektrochemischen akkumulatoren - Google Patents
Schaltungsanordnung zur optimalen nutzung von ueberschussenergie mit hilfe von elektrochemischen akkumulatorenInfo
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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 PL, 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:
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 Ee (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 Uw 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.
•42-
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Claims (13)
- 3 Ζ, Π Z1 5 6Dr.- Ing. Hans Kurt KötheFraunhofer - Institut fürSolare EnergiesystemeSchaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Oberschußenergieit :i'tv ν·ηPatentansprücheOberbegriff: · 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, daSder 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. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daßder 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. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daßder 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. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach Anspruch 3,dadurch gekennzeichnet, daßder 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. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daßfür 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. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daßals 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. 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. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daßdie besagten Spannungsschwellen automatisch eine Anpassung an die jeweilige Batterietemperatur erfahren. - 9. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach Anspruch 8,dadurch gekennzeichnet, daßeinerseits die Lademelder auf eine Grenzladespannung ansprechen, die mehr oder weniger dicht unterhalb der sogennanten Gasungsspannung liegtund 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. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, daßein 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. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach Anspruch 10,dadurch gekennzeichnet, daßals 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. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach Anspruch 11,dadurch gekennzeichnet, daßdie Regelglieder 13, 14 als Proportional-Begrenzer ausgeführt sind.
- 13. Schaltungsanordnung zur optimalen Nutzung von Überschußenergie nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daßdie Regleglieder 11, 12 als Proportionalregler aufgebaut sind.
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