DE4101253A1

DE4101253A1 - Controlling optimal solar generator working point during battery charging - generating additional voltage when generator maximum efficiency point and battery operating point diverge

Info

Publication number: DE4101253A1
Application number: DE4101253A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Seidler
Original assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1991-01-17
Filing date: 1991-01-17
Publication date: 1992-07-23

Abstract

Controlling the optimum working point of a solar generator invovles using tansformer power transfer in battery charge mode under different operating conditions. The solar generator is directly connected to the battery vai a decoupling diode. The geneartor is operated with its maximum temp.-dependent no-load voltage in the region of the battery charge and voltage. In the low temp. region and for a not fully charged battery, the generator voltage at the maximum efficiency operating point is approximately equal to the battery votlage. An additional voltage is generated in series with the generator voltage to operate the generator at its maximum efficiency when the battery operating point and maximum efficiency point diverge. ADVANTAGE - Ratio of generated to useful power at maximum efficiency point is increased and hence efficiency in battery charge mode is increased.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 und eine Schaltungsanordnung zur Durchfüh rung des Verfahrens.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a circuit arrangement for implementation procedure.

In Photovoltaikanlagen mit einem Batteriespeicher besteht die systemtechnische Aufgabe darin, die vom Solargenerator maximal erzeugbare elektrische Leistung mit einem hohen Wirkungsgrad für die Batterieladung einzusetzen. In der Systemauslegung muß dabei berücksichtigt werden, daß die Batteriespannung mit steigendem Ladungsgrad sich erhöht und der Generatorspannungsarbeitspunkt maximaler Leistung mit steigender Temperatur sinkt. Ein Solargenerator kann somit ohne Anpassungsschaltungsaufwand während der Batterieladung nicht ständig im Arbeitspunkt seiner maximalen Leistung be trieben werden. In photovoltaic systems with a battery storage the system-technical task in it, that of the solar generator maximum electrical power with a high Use efficiency for battery charging. In the System design must take into account that the Battery voltage increases with increasing degree of charge and the generator voltage operating point with maximum power rising temperature drops. A solar generator can thus without adaptation circuitry during battery charging not constantly in the working point of its maximum performance be driven.

Um eine Anpassung zu erreichen, ist es bekannt, den Gene rator in parallelgeschaltete Gruppen gleicher Spannung zu unterteilen. Bei Erreichen der Batterieladeendspannung werden die Gruppen nacheinander abgeschaltet und somit der Lade strom reduziert. Die Spannungsauslegung des Solargenerators erfolgt derart, daß der Arbeitspunkt maximaler Leistung im gesamten Arbeitstemperaturbereich oberhalb der Batteriela deendspannung liegt.In order to achieve an adaptation, it is known to be the genes rator in parallel connected groups of the same voltage divide. When the battery charge end voltage is reached the groups switched off one after the other and thus the drawer electricity reduced. The voltage design of the solar generator takes place in such a way that the operating point of maximum power in entire working temperature range above the batteries final voltage is.

Weiterhin ist es bekannt, einen Solargenerator durch einen elektronischen Regler so zu belasten, daß er im Punkte seiner maximalen Leistung betrieben wird. Nach diesem Prin zip arbeitet auch das aus der DE-OS 35 25 630 bekannte Verfahren, zur optimalen Anpassung der Spannung von einem Solargenerator an eine parallel geschaltete Batterie bei un terschiedlichen Betriebsbedingungen. Zwischen Solargenerator und Batterie ist ein die optimale Anpassung bewirkender DC- DC-Spannungswandler (Chopper) angeordnet. Die Spannung des Solargenerators wird bei niedriger Temperatur und damit höchster vom Solargenerator erzeugter Spannung sowie bei teilweise entladener Batterie und damit relativ niedriger Batteriespannung an die Batterie genau angepaßt. Der DC-DC- Spannungswandler wird nur zur Erhöhung der Spannung des Solargenerators verwendet und nur dann eingeschaltet, wenn wegen der herrschenden Betriebsbedingungen eine Erhöhung der vom Solargenerator bereitgestellten Spannung zur op timalen Anpassung benötigt wird. Von Nachteil ist hierbei, daß durch den Aufwärtswandler die ganze vom Solargenerator erzeugte Leistung geregelt wird, was zu einem ständigen Leistungsverlust führt.Furthermore, it is known to use a solar generator load electronic controller so that it scores its maximum power is operated. After that prin zip also works the one known from DE-OS 35 25 630 Procedure for optimal adjustment of the voltage of one Solar generator to a battery connected in parallel at un different operating conditions. Between solar generator and battery is a DC adapter that ensures optimal adaptation DC voltage converter (chopper) arranged. The tension of the Solar generator is at low temperature and therefore highest voltage generated by the solar generator and at partially discharged battery and therefore relatively lower Battery voltage exactly matched to the battery. The DC-DC Voltage converter is only used to increase the voltage of the Solar generator used and only switched on when an increase due to the prevailing operating conditions the voltage provided by the solar generator for op adjustment is needed. The disadvantage here is that through the step-up converter all of the solar generator generated power is regulated, resulting in a constant Loss of performance leads.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem das Ver hältnis von abgegebener Solargeneratorleistung zur verfüg baren Leistung im Punkte maximaler Leistung zu erhöhen ist und damit den Wirkungsgrad gegenüber heute bekannten Ver fahren beim Batterieladebetrieb zu vergrößern.The invention has for its object a method to create the type mentioned above, with which the Ver ratio of solar generator output delivered achievable performance in terms of maximum performance and thus the efficiency compared to today's known Ver drive to increase battery charging.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Solargenerator spannungsmäßig so ausgelegt ist, daß die maximale temperaturabhängige Leerlaufspannung im Bereich der Batterieladeendspannung liegt sowie bei niedriger So largeneratortemperatur und nicht voll geladener Batterie die Solargeneratorspannung am Arbeitspunkt maximaler Lei stung nahezu gleich der Batteriespannung ist, und daß bei einem Auseinanderlaufen des Spannungsarbeitspunktes der Batterie und des Arbeitspunktes maximaler Leistung des Solargenerators infolge Batterieladung und/oder steigen der Solargeneratortemperatur eine zusätzliche gleichge richtete Spannung in Reihe zur Solargeneratorspannung der art erzeugt wird, daß der Solargenerator weiterhin im Ar beitspunkt seiner maximalen Leistung betrieben wird.The object is achieved in that the The voltage of the solar generator is designed so that the maximum temperature-dependent open circuit voltage in the range the end of the battery charge voltage and low So. Largenerator temperature and not fully charged battery the solar generator voltage at the operating point of maximum lei stung is almost equal to the battery voltage, and that at a divergence of the voltage operating point of the Battery and the working point of maximum power of the Solar generator due to battery charging and / or rising an additional equal to the solar generator temperature directed voltage in series to the solar generator voltage is generated that the solar generator continues in Ar is operated at its maximum power.

In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß zur Ladestrombegrenzung bei Erreichen der Ladeendspan nung der Batterie die zusätzliche gleichgerichtete Spannung entsprechend der zulässigen Batterieladespannung derart zurückgenommen wird, daß sich ein neuer Solargeneratorar beitspunkt einstellt.In one embodiment of the invention, it is proposed that that for charging current limitation when reaching the final charge span the additional rectified voltage corresponding to the permissible battery charging voltage is withdrawn that a new solar generator working point.

Vorteilhafterweise wird durch die spezielle Auslegung des Solargenerators und der transformatorischen Leistungsüber tragung eine Wirkungsgradsteigerung im Batterieladekreis des Photovoltaiksystems von mehr als 10% und damit eine Senkung der Systemkosten erreicht. Von besonderem Vorteil ist, daß durch eine Verschiebung des Arbeitspunktes auf der Solargeneratorkennlinie bei geladener Batterie eine Ladestrombegrenzung durchgeführt werden kann. Advantageously, the special design of the Solar generator and the transformer power over bearing an increase in efficiency in the battery charging circuit of the photovoltaic system of more than 10% and thus one System cost reduction achieved. Of particular advantage is that by shifting the working point to the solar generator characteristic curve when the battery is charged Charging current limitation can be carried out.

Eine erfinderische Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist im Anspruch 3 beschrieben.An inventive circuit arrangement for implementation the method is described in claim 3.

Erfinderische Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung ent halten die Unteransprüche 4 bis 7. So ist z. B. Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, daß die transformatorische Lei stungsübertragung mit einem spannungs- und ladestrombe grenzenden Regler kombiniert wird. Somit kann vorteilhaf terweise die Solargeneratorspannungsdimensionierungsbe grenzung entfallen und der Solargeneratorarbeitspunkt ma ximaler Leistung optimal auf die mittlere Batteriespannung angepaßt werden.Inventive designs of the circuit arrangement ent keep the subclaims 4 to 7. So z. B. Claim 7 characterized in that the transformer Lei power transmission with a voltage and charge current limiting controller is combined. Thus can be advantageous usually the solar generator voltage dimensioning limit no longer apply and the solar generator operating point ma ximal performance optimal on the average battery voltage be adjusted.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Er findung dargestellt, und zwar zeigenIn the drawing is an embodiment according to the Er shown invention, namely show

Fig. 1 und Fig. 2 Schaltungsanordnungen zur Anpassung der von einem Solargenerator abgegebenen Span nung an eine parallel geschaltete Bat terie, und die Fig. 1 and Fig. 2 circuit arrangements for adjusting the voltage output by a solar generator voltage to a parallel Bat terie, and

Fig. 3 und Fig. 4 Strom-Spannungs-Diagramme. Fig. 3 and Fig. 4 current-voltage diagrams.

In Fig. 1 ist ein Solargenerator 1 über eine Entkopplungs diode 2 an eine Batterie 3 angeschlossen, wobei zum Solar generator 1 parallel die Primärseite eines Leistungsteiles 4 mit transformatorischer Leistungsübertragung angeschlos sen ist. Das Leistungsteil 4 dient zur Erzeugung einer zu sätzlichen gleichgerichteten Spannung ΔU und ist mit seiner Sekundärseite parallel zur Entkopplungsdiode 2 geschaltet.In Fig. 1, a solar generator 1 is connected via a decoupling diode 2 to a battery 3 , with the primary side of a power section 4 with transformer power transmission being connected in parallel to the solar generator 1 . The power section 4 is used to generate an additional rectified voltage ΔU and is connected with its secondary side in parallel to the decoupling diode 2 .

Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, weist das Leistungsteil 4 primärseitig zwei parallel zum Solargenerator 1 und parallel zueinander angeordnete Spulen 5 und 6 auf, die zur abwech selnden Erzeugung von Spannungsimpulsen mit jeweils einem elektronischen Schalter 7 und 8 in Reihe liegen. Die Schal ter 7 und 8 können beispielsweise pulsbreitenmoduliert ange steuert werden. Die Sekundärspule 10 des Leistungsteiles 4 ist über Gleichrichterdioden 9 an die Entkopplungsdiode 2 angeschlossen. Dem Solargenerator 1 ist zur Stabilisierung seines Arbeitspunktes ein Filterkondensator 11 parallelge schaltet.As can be seen in FIG. 2, the power section 4 has two coils 5 and 6 arranged on the primary side parallel to the solar generator 1 and parallel to one another, which coils each have an electronic switch 7 and 8 for alternating generation of voltage pulses. The scarf ter 7 and 8 can be controlled, for example, pulse width modulated. The secondary coil 10 of the power section 4 is connected to the decoupling diode 2 via rectifier diodes 9 . The solar generator 1 is switched to stabilize its operating point, a filter capacitor 11 parallelge.

Der Solargenerator ist spannungsmäßig so ausgelegt, daß die maximale temperaturabhängige Leerlaufspannung im Bereich der Batterieladeendspannung liegt (vgl. Fig. 3) und über die Entkopplungsdiode 2 direkt auf die Batterie 3 geschal tet wird. Diese Auslegung führt dazu, daß bei niedriger So largeneratortemperatur und nicht voll geladener Batterie 3 der Solargeneratorarbeitspunkt maximaler Leistung und die Batteriespannung nahezu gleich sind (Pkt. 1 in Fig. 3). Bei auseinanderlaufenden Spannungsarbeitspunkten der Batterie 3 und dem Arbeitspunkt maximaler Leistung des Generators 1 in folge Batterieladung und/oder steigender Generatortemperatur wird durch die Regelung der transformatorischen Leistungs übertragung eine zusätzliche gleichgerichtete Spannung U in Reihe zur Solargeneratorspannung Ugen derart erzeugt, daß der Solargenerator 1 weiterhin im Arbeitspunkt seiner maximalen Leistung betrieben wird (Pkt. 1 im Fig. 4). Die transforma torische Leistungsübertragung ist primärseitig parallel und sekundärseitig in Reihe zum Solargenerator 1 geschaltet. Sie stellt einen Gleichspannungs-Wandler dar, der eine hohe Ein gangsspannung und einen kleinen Eingangsstrom in eine kleine Ausgangsspannung und einen großen Ausgangsstrom umsetzt und als Regelgröße die Eingangsspannung Ugen und als Stellgröße die Ausgangsspannung ΔU besitzt (vgl. auch Fig. 2).The solar generator is designed in terms of voltage so that the maximum temperature-dependent open circuit voltage is in the range of the battery charging end voltage (cf. FIG. 3) and is directly switched to the battery 3 via the decoupling diode 2 . This design leads to the fact that at low solar generator temperature and not fully charged battery 3, the maximum operating power of the solar generator and the battery voltage are almost the same (point 1 in FIG. 3). When the voltage operating points of the battery 3 diverge and the operating point of the maximum power of the generator 1 in consequence of the battery charge and / or increasing generator temperature, an additional rectified voltage U is generated in series with the solar generator voltage Ugen by regulating the transformer power transmission such that the solar generator 1 continues to operate its maximum power is operated (point 1 in FIG. 4). The transformer power transmission is connected on the primary side in parallel and on the secondary side in series with the solar generator 1 . It represents a DC-DC converter that converts a high input voltage and a small input current into a small output voltage and a large output current and has the input voltage Ugen as the control variable and the output voltage ΔU as the control variable (see also Fig. 2).

Zur Verlustleistungsreduzierung im Betrieb ohne transforma torische Leistungsübertragung verbleibt die Entkopplungs diode 2 parallel zur transformatorischen Leistungsübertra gung geschaltet. Bei Erreichen der Batterieladeendspannung wird eine Ladestrombegrenzung dadurch erzielt, daß durch Regelung der transformatorischen Leistungsübertragung die erzeugte Spannung ΔU entsprechend der zulässigen Batterie ladeendspannung zurückgenommen wird und sich damit ein neuer Solargeneratorarbeitspunkt (Pkt. 2 in Fig. 4) ein stellt.To reduce power loss in operation without transformer power transmission, the decoupling diode 2 remains connected in parallel to the transformer power transmission. When the battery charging end voltage is reached, a charging current limitation is achieved in that, by regulating the transformer power transmission, the generated voltage .DELTA.U corresponding to the permissible battery charging end voltage is withdrawn and a new solar generator operating point (point 2 in FIG. 4) is thus established.

Ein Vorteil der Schaltungsanordnung liegt darin, daß ent weder der Solargenerator 1 direkt über die Entkopplungs diode 2 auf die Batterie 3 arbeitet oder nur ein Anteil der Solargeneratorleistung (0 bis ca. 25%) zur Steuerung des Solargeneratorarbeitspunktes verwendet wird. Der der transformatorischen Leistungsübertragung eigene Wirkungs grad geht daher nur anteilig in den Systemwirkungsgrad ein, so daß dieser insgesamt hoch bleibt. Weiterhin braucht die transformatorische Leistungsübertragung nur für ca. 25% der Solargeneratorleistung ausgelegt werden.An advantage of the circuit arrangement is that either the solar generator 1 works directly via the decoupling diode 2 on the battery 3 or only a portion of the solar generator power (0 to about 25%) is used to control the solar generator operating point. The efficiency of the transformer power transmission is therefore only partially involved in the system efficiency, so that it remains high overall. Furthermore, the transformer power transmission only needs to be designed for approx. 25% of the solar generator power.

Claims

1. Verfahren zur optimalen Solargeneratorarbeitspunkt- Steuerung mittels transformatorischer Leistungsübertragung im Batterieladebetrieb bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen, wobei der Solargenerator über eine Entkopplungsdiode direkt auf die Batterie geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Solargenerator (1) span nungsmäßig so ausgelegt ist, daß die maximale temperatur abhängige Leerlaufspannung im Bereich der Batterielade endspannung liegt sowie bei niedriger Solargeneratortem peratur und nicht voll geladener Batterie (3) die Solar generatorspannung im Arbeitspunkt maximaler Leistung nahe zu gleich der Batteriespannung ist, und daß bei einem Auseinanderlaufen des Spannungsarbeitspunktes der Batterie (3) und des Arbeitspunktes maximaler Leistung des Solar generators (1) infolge Batterieladung und/oder steigender Solargeneratortemperatur eine zusätzliche gleichgerichtete Spannung (ΔU) in Reihe zur Solargeneratorspannung (Ugen) derart erzeugt wird, daß der Solargenerator (1) weiterhin im Arbeitspunkt seiner maximalen Leistung betrieben wird.1. A method for optimal solar generator operating point control by means of transformer power transmission in battery charging operation under different operating conditions, the solar generator being connected directly to the battery via a decoupling diode, characterized in that the solar generator ( 1 ) is designed in such a way that the maximum temperature-dependent Open-circuit voltage is in the area of the battery charging end voltage and, when the temperature of the solar generator is low and the battery is not fully charged ( 3 ), the solar generator voltage at the operating point of maximum power is close to the same as the battery voltage, and that when the voltage operating point of the battery ( 3 ) and the operating point reach a maximum Performance of the solar generator ( 1 ) due to battery charging and / or increasing solar generator temperature, an additional rectified voltage (ΔU) in series with the solar generator voltage (Ugen) is generated such that de r Solar generator ( 1 ) continues to operate at the operating point of its maximum output.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ladestrombegrenzung bei Erreichen der Ladeendspannung der Batterie (3) die zusätzliche gleichgerichtete Spannung (AU) entsprechend der zulässigen Batterieladeendspannung derart zurückgenommen wird, daß sich ein neuer Solargene ratorarbeitspunkt einstellt (Pkt. 2).2. The method according to claim 1, characterized in that to limit the charging current when the end-of-charge voltage of the battery ( 3 ) is reached, the additional rectified voltage (AU) corresponding to the permissible end-of-charge battery voltage is withdrawn in such a way that a new solar generator operating point is established (point 2).

3. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen dem Solargenerator und der hierzu parallel geschalteten Batterie eine Entkopplungsdiode angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der zusätzlichen gleichgerichteten Spannung (U) ein Lei stungsteil (4) mit transformatorischer Leistungsübertra gung vorgesehen ist, dessen Primärseite (11) parallel zum Solargenerator (1) und dessen Sekundärseite parallel zur Entkopplungsdiode (2) geschaltet sind.3. A circuit arrangement for performing the method according to claim 1 or 2, wherein a decoupling diode is arranged between the solar generator and the battery connected in parallel thereto, characterized in that for generating the additional rectified voltage (U) a Lei stungteil ( 4 ) with transformer power supply is provided, the primary side ( 11 ) of which is connected in parallel to the solar generator ( 1 ) and the secondary side of which is connected in parallel to the decoupling diode ( 2 ).

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß das Leistungsteil (4) primärseitig zwei parallel zum Solargenerator (1) und parallel zueinander angeordnete Spulen (5, 6) aufweist, die zur abwechselnden Erzeugung von Spannungsimpulsen mit jeweils einem elektronischen Schalter (7, 8) in Reihe liegen, und daß die Sekundärspule (9) des Leistungsteiles (4) über Gleichrichterdioden (10) an die Entkopplungsdiode (2) angeschlossen ist.4. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that the power section ( 4 ) on the primary side has two parallel to the solar generator ( 1 ) and parallel to each other arranged coils ( 5 , 6 ), each with an electronic switch ( 7 , 8 ) are in series, and that the secondary coil ( 9 ) of the power section ( 4 ) is connected to the decoupling diode ( 2 ) via rectifier diodes ( 10 ).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine pulsbreitenmodulierte Ansteuerung der elektronischen Schalter (7, 8).5. Circuit arrangement according to claim 4, characterized by a pulse width modulated control of the electronic switches ( 7 , 8 ).

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung des Arbeitspunktes des Solargenerators (1) diesem ein Filterkondensator (11) parallelgeschaltet ist.6. Circuit arrangement according to claim 3, 4 or 5, characterized in that to stabilize the operating point of the solar generator ( 1 ) this a filter capacitor ( 11 ) is connected in parallel.

7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Leistungsteil (4) mit trans formatorischer Leistungsübertragung mit einem spannungs oder ladestrombegrenzenden Regler kombiniert wird.7. Circuit arrangement according to one of claims 3 to 6, characterized in that the power part ( 4 ) is combined with transformer power transmission with a voltage or charge current limiting controller.