DE3783203T2 - Autonomes stromversorgungssystem. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein autonomes Stromversorgungssystem.
• Genauer gesagt betrifft die Erfindung ein solches System, das den Betrieb einer elektrischen Anlage ermöglicht, die im wesentlichen durch Anforderungen beträchtlicher Ströme von begrenzter Dauer betrieben wird, und das zudem beiträgt, der elektrischen Anlage eine Autonomie von mehreren Monaten zu geben.
• Es gibt immer mehr elektrische Apparate, die zum Betrieb ihres elektrischen Teils nur eine zeitweilige Energieversorgung brauchen. Als Beispiel kann man die Parkschranken zur Kontrolle der Zahlung der Parkgebühren für das Parken der Autos nennen. Solche Apparate weisen elektronische Schaltungen auf, die gespeist werden müssen und Druckeinrichtungen für Tickets, die dem Autofahrer nach Zahlung der Parkgebühr ausgehändigt werden als Nachweis für die erfolgte Zahlung. Diese Druckeinrichtungen bestehen meistens aus einem thermischen Druckkopf. Bei jedem Druckvorgang verursacht die Stromversorgung der Druckpunkte eine Anforderung eines beträchtlichen augenblicklichen Stromes.
• Zur Stromversorgung der Parkschranken besteht eine erste Losung im Anschluß an das Leitungsnetz mit 110 oder 220 Volt. Diese Losung erfordert beträchtliche Arbeiten zum Anschluß des Apparates an das elektrische Verteilernetz.
• Eine zweite Lösung besteht in der Stromversorgung des Apparates durch eine Batterie und der periodischen Aufladung der Batterie durch das öffentliche Beleuchtungsnetz, das eingerichtet ist aber nur periodisch gespeist wird (Beleuchtungszeiten). Diese Lösung erfordert ebenfalls Arbeiten zum Anschluß an das öffentliche Beleuchtungsnetz.
• Eine andere Lösung besteht aus der direkten Stromversorgung der Einrichtung mittels einer Batterie und der Vorsorge zur Ladung der Batterie in der Werkstätte.
• Die am besten geeignete Lösung besteht sicherlich in der Anwendung einer autonomen (selbständigen/unabhängigen) Stromversorgung. Diese Stromversorgung muß eine unabhängige Versorgung von mehreren Monaten, üblicherweise sechs Monate, gewährleisten. Diese Forderung ist durch die Notwendigkeit der Senkung der Unterhaltskosten für die Parkschranken diktiert. Die zu "Batterien" vereinigten elektrischen Zellen ermöglichen die erforderliche Spannung und die notwendige Kapazität für eine solche Autonomie aufrechtzuerhalten. Indessen sind die Zellen keine Quellen elektrischer Leistung, die eine Anforderung beträchtlicher Ströme zulassen. Entsprechend den gebräuchlichen Technologien können die leistungsfähigsten Zellen, während einigen Sekunden bis zu einigen Minuten, nur Ströme liefern, die einen Wert von etwa zehn mA bis ein Ampère nicht überschreiten. Dazu kommt noch, daß infolge der Speisung solcher Ströme, die von der Zelle geforderte Spannung einen Spannungsrückgang durchmacht, der umso größer ist, je größer die gelieferte Stromstärke ist. Daraus folgt, daß eine unmittelbare Stromversorgung durch Zellen ausgeschlossen ist.
• Das Dokument US-A-3 987 352 beschreibt ein Ladesystem einer Batterie auf der Grundlage einer Zelle, bei dem die Ladung der Batterie durch eine Schaltung gesteuert wird, die dauernd den Lade- und Entladestrom der Batterie mißt. Ein solches Steuersystem ist nicht für den Fall geeignet, bei dem die zur äußeren Last fließenden Ströme, beispielsweise bei einer elektrischen Park-Zahlschranke, sich im beträchtlichen Ausmaß ändern.
• Um diesen Schwierigkeiten abzuhelfen, ist es Aufgabe der Erfindung, ein autonomes Stromversorgungssystem anzugeben, das eine erhöhte Kapazität bietet, um die Anforderung beträchtlicher Ströme zu erlauben.
• Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, ein autonomes Stromversorgungssystem anzugeben, das außerdem einen verringerten Raumbedarf hat.
• Gemaß der Erfindung wird dieses Ziel durch die Merkmale des Anspruchs 1 erzielt.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung gehen deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung hervor, wobei die Erfindung nicht auf dieses Beispiel beschränkt ist. Die Beschreibung bezieht sich auf die beigefügten Zeichnungen, bei denen
• Fig. 1 ein Prinzipschema der autonomen Stromversorgung gemäß der Erfindung ist;
• Fig. 2 ein Blockschema einer bevorzugten Ausführungsform der Batterie-Ladeeinrichtung zeigt; und
• Fig. 3 ein detailliertes Schaltschema der Ausführungsform der Batterie-Ladeeinrichtung nach der Fig. 2 zeigt.
• Anhand der Fig. 1 wird zunächst der Gesamtaufbau der autonomen Stromversorgung entsprechend der Erfindung beschrieben. Es umfaßt zwei Zellen 2 und 4, die parallel zum Eingang einer Batterie-Ladeeinrichtung 6 geschaltet sind. Der Ausgang der Batterie-Ladeeinrichtung 6 ist mit den Klemmen 8 des Verbrauchers der autonomen Stromversorgung verbunden. Zwischen der Batterie-Ladeeinrichtung 6 und den Klemmen 8 ist eine Akkumulatoren-Batterie 10 als Puffer angeordnet. Die Batterie 10 ist ein Blei-Akku. Sie liefert eine Nennspannung von 12 Volt.
• Jede Zelle 2 oder 4 liefert eine Normalspannung von 8,7 Volt und hat eine ausreichende Kapazität um die gewünschte Autonomie zu gewährleisten. Die Batterie-Ladeeinrichtung 6 liefert einen konstanten Strom bei einer Spannung, die der beim Ende der Ladung der Batterie empfohlenen Spannung entspricht. Die Ausgangsspannung kann zwischen 9 und 15 Volt variieren. Sie wird mit einem Strom von 70 mA bei 7,4 Volt gespeist. In der Praxis kann die Speisespannung zwischen 4,5 bis 9 Volt variieren. Die Ladeeinrichtung hat einen Wirkungsgrad von 80 %. Wenn angenommen wird, daß der Wirkungsgrad Laden/Entladen der Batterie 10 90 % beträgt, so beträgt der Gesamtwirkungsgrad des Stromversorgungssystems 70 %.
• Unter Bezug auf die Fig. 2 und 3 wird nunmehr im einzelnen die Batterie-Ladeeinrichtung 6 der Fig. 1 beschrieben.
• Die Ladeeinrichtung 6 umfaßt einen Schaltregler 20, der zwischen Masse und der Leitung 22, die den gemeinsamen Punkt 2, 4 der Zellen mit der positiven Klemme der Batterie und der positiven Ausgangsklemme (8, 10) verbindet. Zwischen dem gemeinsamen Punkt 2, 4 und dem Punkt 24 der Verzweigung zum Regler (20) befindet sich eine Spule 26. Auf der Leitung 22, zwischen Punkt 24 und der Verbindung mit der positiven Klemme der Batterie befinden sich aufeinanderfolgend eine Diode 28 und ein Widerstand Rm. Außerdem ist ein Kondensator Co zwischen Masse und dem Punkt 32, der zwischen der Diode 28 und dem Widerstand Rm liegt, angeordnet. Wie später noch im einzelnen erklärt wird, wird der Regler 20 zur Lieferung eines konstanten Ladestroms gesteuert. Zu diesem Zweck werden die von den Anschlüssen des Widerstands Rm entnommenen Spannungen an den Eingang eines Operationsverstärkers 34 angelegt, der als Differenzbildner geschaltet ist. Am Ausgang des Verstärkers 34 hat man nun eine Spannung, die der Ladestromstärke der Batterie entspricht. Der Ausgang des Verstärkers 34 ist mit dem Eingang 20a des Reglers 20 verbunden. Zur Messung der Spannung an den Klemmen der Batterie ist ein Spannungsteiler, gebildet aus den Widerständen R&sub6; und R&sub7;, zwischen der Leitung 22 am Punkt 36 und Masse angeordnet. Der Mittelpunkt des Spannungsteilers 38 ist mit dem Eingang 40a eines Vergleichers 40 verbunden. Der Eingang 40a des Vergleichers erhält also eine Spannung, die zu jedem Zeitpunkt für die Spannung der Batterie repräsentativ ist. Der zweite Eingang 40b des Vergleichers erhält eine von einer Bezugsspannungsschaltung 42 gelieferte Spannung. Die Bezugsspannungsschaltung 42 liefert eine Spannung, die für die Spannung am Ende der Ladung repräsentativ ist, wobei diese Bezugsspannung temperaturkompensiert ist. Sobald die Batterie den Bezugsspannungswert bei der Umgebungstemperatur erreicht, liefert der Vergleicher 40 ein Signal, das am Eingang R einer bistabilen Schaltung 44 angelegt wird. Ein Zeitgeber 46 liefert mit einer unveränderlichen periodischen Wiederholung (z. B. zwei Stunden) ein Signal zur Aufladung der Batterie. Der Ausgang des Zeitgebers 46 ist mit dem Eingang S der bistabilen Schaltung 44 verbunden. Der Ausgang Q der bistabilen-Schaltung 44 ist mit dem Eingang 20b des Reglers 20 verbunden. Wenn der Ausgang Q auf "0" liegt, d. h. wenn die Aufladung der Batterie durch den Zeigeber 46 befohlen worden ist aber die Spannung der Batterie noch nicht den Bezugswert erreicht hat, ist der Regler aktiv. Im Gegensatz dazu, wenn der Ausgang Q auf "1" liegt, ist der Regler 20 in Ruhestellung. Der Regler 20 ist vom Schaltertyp. Es handelt sich dabei z. B. um den Regler RC 4193 von Raytheon. Mit Bezug auf Fig. 3 wird die Struktur des Reglers später im Detail noch erklärt werden. Es genügt hier anzuführen, daß, je größer das Tastverhältnis des vom Regler gelieferten Signals ist, umso höher ist die Spannung am Kondensator Co und daher ist umso höher die Ladespannung.
• Die Wirkungsweise der Ladeeinrichtung ist wie folgt unter der Annahme, daß der Zeitgeber 46 einen Befehl zum Ladebeginn ausgibt. Der Ausgang Q der bistabilen Schaltung 44 geht auf Pegel "0" und aktiviert den Regler 20. Der Regler 20 löst die Ladung der Batterie aus. Der Ladestrom wird dauernd durch den Verstärker 34 gemessen, der den Regler 20 zur Aufrechterhaltung des konstanten Ladestroms steuert. Die Batteriespannung liegt dauernd am Vergleicher. Da die Batterieladung mit konstantem Strom erfolgt, erhöht sich die Spannung an den Klemmen der Batterie nach Maßgabe ihrer Ladung.
• Wenn diese Spannung den von der Bezugspannungsschaltung 42 gelieferten Wert erreicht, z. B. 13,8 V, geht der Ausgang Q der bistabilen Schaltung 44 auf Null zurück und der Regler 20 geht in Ruhestellung.
• Mit Bezug auf Fig. 3 wird die Ladeeinrichtung 6 näher beschrieben. Bei Fig. 3 sind die Bezugszeichen der bereits in Fig. 2 gezeigten Elemente beibehalten worden. Der Regler 20 besteht aus einem Transistor 50, dessen Emitter- und Kollektor-Elektroden 50a und 50b bei Punkt 24 mit der Leitung 22 und mit Masse und dessen Basis 50c mit dem Ausgang eines NICHT-ODER-Gatters 52 verbunden ist. Der Transistor 50 funktioniert als Betätigungsschalter gesteuert von der vom Gatter 52 gelieferten Spannung. Das NICHT-ODER-Gatter 52 empfängt an einem seiner Eingänge das von einem Oszillator 56 gelieferte Signal, dessen Festfrequenz durch den Kondensator C&sub2; eingestellt ist. Im betrachteten Beispiel ist diese Frequenz gleich 55 kHz. Der Regler 20 enthält noch einen Vergleicher 58, der an einem seiner Eingänge die vom Verstärker 34 gelieferte Spannung erhält und am anderen Eingang eine Bezugsspannung, die von der Schaltung 60 geliefert wird. Es sei daran erinnert, daß das vom Verstärker 34 gelieferte Signal für den Ladestrom der Batterie repräsentativ ist. Die Verstärkung des Verstärkers 34 (Widerstände R1 und R2) ist so eingestellt, daß für einen passenden Ladestrom, z. B. 30 mA, die vom Verstärker 34 gelieferte Spannung der von der Schaltung 60 gleich sein sollte, z. B. 1,3 Volt. Man versteht deshalb, daß die Frequenz des Steuersignals des Transistors unveränderlich und gleich 55 kHz ist, aber daß das Tastverhältnis dieses Signals durch das vom Vergleicher 58 gelieferte Signal modifiziert wird. Oder auch, daß der Vergleicher 58 ein Signal liefert, das für die Abweichung des Ladestroms vom Sollwert (30 mA) repräsentativ ist, so daß diese Baugruppe tatsächlich einen Regelkreis darstellt.
• Der Regler 20 bringt auch eine andere Funktion zur Wirkung, die es erlaubt, das folgende Problem zu lösen. Der vorhin beschriebene Regler wurde zum Betrieb mit Durchschnittsspannungen der Zellen und der Batterie bei normaler Umgebungstemperatur entwickelt. Die Zellenspannungen können auch unter der Durchschnittsspannung (unterhalb 5 Volt) liegen. die Batteriespannung kann erhöht sein (über 14 Volt) und die Umgebungstemperatur kann auf -10,5 ºC absinken.
• Zur Anpassung an diese anormalen Bedingungen kann die Schaltfrequenz durch das Anschließen des Kondensators C&sub3; an den Oszillator 56 verringert werden. Die Schaltfrequenz wird damit auf 25,5 kHz zurückgeführt. Der Anschluß des Kondensators C&sub3; wird automatisch mittels einer Detektorschaltung bewerkstelligt. Diese Schaltung weist einen Transistor 62 auf, der als Unterbrecher geschaltet ist. Die Basis 62a des Transistors 60 erhält ein vom Vergleicher 64 geliefertes Signal. Der Vergleicher 64 empfängt an einem seiner Eingänge das von der Schaltung gelieferte Bezugssignal und andererseits ein Signal, das für die Zellenspannung repräsentativ ist, das vom Spannungsteiler, gebildet aus den Widerständen R&sub2;&sub4; und R&sub2;&sub5;, geliefert wird. Diese Schaltung ist derart, daß, wenn die Zellenspannung unterhalb eines vorbestimmten Wertes fällt, z. B. 5,85 Volt, wird der Transistor 62 leitend und verbindet den Kondensator C&sub3; mit dem Oszillator 56. Die Schaltfrequenz wird daher gleich 25,5 kHz, wie vorher angegeben.
• Der Rest der Schaltung wird vom Fachmann leicht verstanden. Es werden nur folgende Punkte bemerkt: Der Ausgang Q der bistabilen Schaltung 44 steuert die Aktivierung des Reglers 20, wenn er auf Pegel "0" ist mittels des Transistors T&sub1;, der als Unterbrecher wirkt. Die Schaltung 42, die die temperaturkompensierte Lade-Bezugsspannung der Batterie liefert, wird durch die Zellenspannung Vp über den Transistor T&sub2;, der als Schalter arbeitet, gespeist. Die Schaltung 42 wird jedoch nur während der Aufladung der Batterie gespeist.
• Aus der vorstehenden Beschreibung ergibt sich, daß das autonome Stromversorgungssystem den eingangs angeführten Spezifikationen sehr gut entspricht.
• Die elektrische Energie wird dem Verbraucher von der Batterie geliefert. Diese Energie wird also mit einer sehr stabilen Spannung geliefert, typisch mit 12 Volt, und ermöglicht die Entnahme beträchtlicher Ströme. Durch seinen Aufbau ermöglicht es der Spannungs-Schaltregler einen Kompromiß zu schließen zwischen den Belastungskennlinien der Zellen und einer Energieübertragung mit einem maximalen Wirkungsgrad, sogar dann, wenn die Zellen bezogen auf ihre Normalspannung eine niedrige Spannung haben.
• Des weiteren muß angemerkt werden, daß die Gesamtenergie der äußeren Last von der Akkumulatoren-Batterie und nicht von den Zellen geliefert wird. Deshalb muß deutlich gemacht werden, daß im Fall, wo die Batterie die äußere Last speist, die Zelle im Begriff ist die Batterie aufzuladen, wobei ein Leckstrom, der von der Zelle geliefert wird, ebenfalls der äußeren Last zugeführt wird. Dieser Leckstrom ist indessen vernachlässigbar bezogen auf den von der Batterie gelieferten Strom und sogar in diesem Fall kann man in erster Näherung davon ausgehen, daß die Gesamtenergie von der Batterie an die äußere Last geliefert wird.
• Zudem, wenn zwei Zellen des beschriebenen Typs verwendet werden, bieten die Parkschranken einen selbständigen, unabhängigen (autonomen) Betrieb von sechs Monaten.

Claims (5)

1. Autonomes Stromversorgungssystem für eine äußere Last, bestehend aus:

- mindestens einer Zelle (2, 4) zur Lieferung der verlangten elektrischen Energiemenge;

- einer Akkumulatoren-Batterie (10), angeordnet als Puffer an den Verbraucherklemmen (8) des Systems, um die verlangten Spitzenströme zu liefern, wobei diese Batterie allein die äußere Last speist; und

- einen Batterie-Laderegler (6) um die Energieübertragung der Zelle (2, 4) zur Batterie (10) zu besorgen, bestehend aus Mitteln (Rm, 34, 20) zur Anpassung der Betriebsweise der Entladung dieser Zelle an den tatsächlichen Energieverbrauch der Batterie, und aus Mitteln (38, 42, 44, 46) um den Ladezustand der Batterie in einem engen Bereich nahe der Voll-Ladung aufrechtzuerhalten,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Mittel zur Steuerung der Ladung eine Schaltung (46) aufweisen zur Lieferung eines Impulssignals fester Frequenz, von dem jeder Impuls die Ladung der Batterie auslöst, wobei die Frequenz dieses Signals an den Verbrauch des durch das Stromversorgungssystem gespeisten Geräts angepaßt ist,

- die Mittel zur Unterbrechung der Ladung aus Mitteln (42) bestehen zur Bildung eines Bezugssignals, das für die Voll-Ladung der Batterie kennzeichnend ist,

- aus Mitteln (R&sub6;, R&sub7;, 38) zur Bildung eines Signals, das die Voll-Ladung der Batterie angibt,

- aus Vergleichsmitteln (40) zum Vergleich dieser Signale, und

- aus Unterbrechungsmitteln (44), die in Übereinstimmung mit dem Ergebnis des Vergleichs die Ladung der Batterie und die Speisung der Schaltungen des Batterie-Ladereglers, die an der Batterie-Ladung beteiligt sind, unterbrechen.

2. Autonomes Stromversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Batterie-Ladung aus Mitteln (Rm, 34, 20) zur Aufrechterhaltung eines Batterie-Ladestroms (Ich) auf einen im wesentlichen konstanten Wert bestehen.

3. Autonomes Stromversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Batterie-Laderegler (6) eine Reglerschaltung vom Schaltertyp (20) aufweist.

4. Autonomes Stromversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Aufrechterhaltung eines im wesentlichen konstanten Ladestroms aufweisen:

Mittel (Rm, 34) zur Schaffung eines den Ladestrom kennzeichnenden Signals,

Mittel (58) zum Vergleich dieses Signals mit einem Sollwert, und

Mittel (52) zur Änderung des Tastverhältnisses des Schaltsignals als Funktion des Ergebnisses des Vergleichs.

5. Autonomes Stromversorgungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Bildung eines den Voll-Ladezustand kennzeichnenden Signals temperaturkompensiert sind.