WO2011154538A2 - Energy self-sufficient microsystem and method for operating same - Google Patents

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WO2011154538A2
WO2011154538A2 PCT/EP2011/059726 EP2011059726W WO2011154538A2 WO 2011154538 A2 WO2011154538 A2 WO 2011154538A2 EP 2011059726 W EP2011059726 W EP 2011059726W WO 2011154538 A2 WO2011154538 A2 WO 2011154538A2
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local
energy
central
voltage
unit
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WO2011154538A3 (en
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Alexander Frey
Yiannos Manoli
Dominic Maurath
Dieter Mintenbeck
Meinrad Schienle
Armin Taschwer
Thorsten Hehn
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Siemens Aktiengesellschaft
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of dc sources
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P80/00—Climate change mitigation technologies for sector-wide applications
    • Y02P80/20—Climate change mitigation technologies for sector-wide applications using renewable energy

Definitions

  • the invention relates to an energy self-sufficient microsystem and a method for its operation.
  • Energy-autonomous sensor systems are used today in many preparation ⁇ chen, such as industrial automation, the Au tomobiltechnik (tire pressure sensors) and home automation, wide application.
  • Many conventional self-powered microsystems include a microgenerator which converts latent energy, such as heat, light or mechanical vibrations, into electrical energy in the environment.
  • latent energy such as heat, light or mechanical vibrations
  • microgenerators can only provide relatively low powers, so that there is a desire to extract power or energy from the microgenerator with the aid of what is known as an interface circuit (interface circuit) as efficiently as possible (energy).
  • interface circuit interface circuit
  • the storage and transport of energy to a consumer should be interpreted as efficiently as possible.
  • the invention has for its object to provide an energy self-sufficient microsystem and a method for its operation, which ensure a universal applicability for different applications with increased reliability of the system with minimal circuit complexity.
  • an energy self- sufficient microsystem with at least two local energy sources, of which at least one comprises a microgenerator and an interface circuit for extracting energy from the microgenerator, and a central unit, which has at least one central storage unit for storing the has the energy extracted from the micro-generator (s).
  • at least two local energy sources of which at least one comprises a microgenerator and an interface circuit for extracting energy from the microgenerator, and a central unit, which has at least one central storage unit for storing the has the energy extracted from the micro-generator (s).
  • the reliability of the self-powered system can he be ⁇ increased.
  • one of the local energy sources is designed as a battery.
  • a Steuerlo ⁇ gik can then set depending on the situation whether the dispensed to a consumer of energy is removed from the central SpeI ⁇ cheraji or the battery.
  • the maintenance interval for checking and possibly replacing the battery can be significantly increased.
  • the at least two local energy sources each have a microgenerator and an interface circuit for the extraction of energy from the microgenerator.
  • the respective assignment of an interface circuit to the individual microgenerators allows a highly efficient extraction of energy from the respective microgenerator, in For example, the operating point of the respective micro-generator is optimally adjusted.
  • the architecture according to the invention allows a modular design in which different energy sources can be used, depending on the application and the environment.
  • the central storage unit may be charged without resulting in losses and efficiency reductions in the individual energy sources.
  • the sources also have no influence on each other, so that each can be operated independently of the current load situation and regardless of a current voltage level of the central storage unit in its optimal operating point.
  • the failure or addition of an energy source does not affect the other energy sources of the energy self-sufficient system, so that the operation of the entire system does not have to be interrupted.
  • the central unit has at least one voltage regulator, preferably in the form of a low-loss DC-DC converter (DC / DC converter), which regulates an output voltage of the central memory unit and / or the battery to a predetermined target output voltage.
  • a voltage regulator allows the generation of consumer-specific output voltage level, which in addition to the high-efficiency extraction of energy from the microgenerators and energy-efficient transport of the energy is guaranteed to the consumer or consumers. If several consumers connected to the energieau ⁇ trong system, including multiple voltage regulators can be provided accordingly.
  • a local energy source may also include a local memory unit, so that local storage may be possible before the energy is stored in the central memory unit.
  • at least one of the local energy sources in addition to a Mikroge- erator, and a interface circuit and a local DC voltage converter which is connected upstream of the local storage unit or the central memory unit and an input voltage of the DC-DC converter in a ak ⁇ Tuelle storage voltage of the local storage unit or the central storage unit converts.
  • the current local storage voltage of a local storage unit greater than the current central memory voltage of the central storage unit so energy can be transported to the centra ⁇ len memory without additional voltage conversion.
  • the local memory voltage but smaller than the central memory voltage as the local memory voltage can be adjusted by means of a local DC-DC converter to a refreshes ⁇ elle central memory voltage.
  • the DC-DC converter can also be connected upstream of a local storage unit in order to adapt the energy extracted from the micro-generator directly to the instantaneous local storage voltage. In such an architecture, it is also possible to integrate the local DC-DC converter in the interface circuit of the power source.
  • the local energy sources controllable switching elements for example in the form of lock switches or series transistors include, through which the respective energy sources with the central unit and bar ⁇ bar are separable from this.
  • each switching element is assigned to a local control unit which controls the each ⁇ stays awhile switching element such that the switch element is closed only when a current local memory voltage to the local storage unit is higher than a aktu- eile central storage voltage at the central storage unit and when no switching element of another power source is closed.
  • the respective blocking switch When using lock switches, the respective blocking switch can be reopened after charge equalization, which is typically very fast.
  • a central control unit which controls the sound Tele ⁇ elements such that only a single switching ⁇ element is closed, wherein the current local storage must voltage to the respective local storage unit to be higher than the current central storage voltage at the center ⁇ eral storage unit.
  • the central control unit can open the blocking switches cyclically, for example, if the local memory voltage of the respective local memory is sufficient.
  • lock switches controlled series transistors provided such methods can be omitted such cyclic (time division multiple access), since the series transistors can be controlled, for example such that it as a current source ar ⁇ BEITEN which the local storage unit with a defined current in the central storage unit discharges.
  • the series pass transistors may also be controlled such that they adapt to the current central ⁇ rale storage voltage of the central memory in the form of a linear regulator ar ⁇ BEITEN and the local memory voltage.
  • the Control voltages for the individual longitudinal transistors can be the same or specifically adjustable.
  • the invention also provides a method for operating an energy self-sufficient system according to the invention in which energy is extracted from at least two microgenerators and stored in a central storage unit.
  • An embodiment of the method according to the invention provides that the energy extracted from the microgenerators is temporarily stored in local storage units.
  • FIG. 1 shows a schematic block diagram of a first embodiment of an energy self-sufficient microsystem according to the invention, a schematic block diagram of a second embodiment of an energy self-sufficient microsystem according to the invention, a schematic representation of the second embodiment of an energy self-sufficient microsystem according to the invention with switching elements in the form of series transistors, and a schematic block diagram of a local energy source.
  • the rosystem in Fig. 1 shown schematically Mic invention comprises a central unit 1 and N + l local Ener ⁇ giettlen 2-1 to 2- (N + l), where only the first two te, Nth and (N + l) th energy source are shown.
  • the energy sources 2-1 to 2-N each comprise a microgenerator 3-1 to 3-N for generating electrical energy and an interface circuit 4-1 to 4-N connected thereto for the extraction of energy from the microgenerator and for transmitting energy to a respectively downstream local memory unit 5-1 to 5-N.
  • These local SpeI ⁇ cherritten 5-1 to 5-N enable caching of the micro-generators 3-1 to 3-N extracted energy strategy.
  • the local storage units 5-1 to 5-N respectively 6-1 to 6-N connected downstream of which a current local storage voltage of the Loka ⁇ len storage units 5-1 to 5-N to an actual central storage voltage of a central storage unit 7, a local DC-DC converter in the central unit 1 adapts.
  • the (N + 1) th power source 2- (N + 1) is implemented as a battery 8.
  • the central unit 1 can also have several, preferably different types of energy storage units on ⁇ .
  • the microgenerators 3-1 to 3-N are designed, for example, as solar energy converters, vibration transducers, thermoelectric converters or flow energy converters and convert latent energy present in the environment, such as, for example, light, heat, mechanical vibrations or Strö ⁇ provisions into electrical energy.
  • a microsystem according to the invention has microgenerators based on different principles of action.
  • the local storage units 5-1 to 5-N are merely optional, and for the applicability of the invention not without ⁇ dingt required.
  • the local DC-DC converter 6-1 to 6-N can be dispensed with if the output voltages of the interface circuits 4-1 to 4-N or of the local memory units 5-1 to 5-N are adapted to the voltage of the central memory unit 7 in any case are.
  • M of the central storage unit 7 downstream voltage regulators 9-1 to 9-M are provided which an output voltage of the central memory unit 7 or an output ⁇ voltage of the battery 8 to predetermined, to consumers 10th -1 to 10-M respectively adapts required nominal output voltages.
  • a Steuerlo ⁇ gik 11 sets depending on the situation, for example depending on each ⁇ donating state of charge of the battery 8 and the central SpeI ⁇ cheratti 7, whether the to 10-M to be delivered to the consumer 10-1 energy from the central storage unit 7 or the Battery 8 is removed.
  • the control logic 11 can be dispensed with if none of the local energy sources is designed as a battery.
  • FIG. 1 A further embodiment of a microsystem according to the invention is shown schematically in FIG.
  • This exporting ⁇ approximate shape differs from that shown in Fig. 1 embodiment in that on the one hand no battery configured as an energy source is provided.
  • On the other environmentally 1-1 summarize the sources of energy to 1-N in each case a controllable switching element 20-1 to 20-N, which are respectively connected between the lo ⁇ kalen storage unit 5-1 to 5-N and the central SpeI ⁇ cheratti 7 ,
  • These switching elements 20-1 to 20-N can be embodied, for example, as blocking switches or series transistors and serve to connect or disconnect the respective energy sources 2-1 to 2-N from the central unit. In this way, cross-couplings or cross-currents between the individual local storage units 5-1 to 5-N can be avoided.
  • the local DC-DC converters 6-1 to 6-N are not connected downstream of the local memory units 5-1 to 5-N. They are thus no longer used for voltage adjustment the output voltage of the local memory units 5-1 to 5- N to the current central memory voltage of the central memory unit 7, but the voltage adjustment of the output voltages of the interface circuits 4-1 to 4-N to the current local memory voltages of the local memory units 5-1 to 5-N.
  • an input ⁇ voltage of the DC-DC converter in the current local memory voltage of the respective local memory unit 5-1 to 5-N or in the current central memory voltage of the central memory unit 7 is converted.
  • a central control unit 21 for controlling the switching elements 20-1 to 20-N is provided. If the switching elements 20-1 to 20-N are designed as blocking switches , the blocking switches can be closed cyclically by the central control unit 21, for example, given sufficient memory voltage at the respective local memory unit. The cyclic closing of the blocking switch ensures that only a single blocking switch is always closed and thus cross-currents between the individual local storage units 5-1 to 5-N are reliably avoided. However, this condition can be obtained by the central control unit 21 itself ⁇ course also in other ways than by cyclically
  • each switching element 20-1 to 20-N may also be assigned a local control unit (not shown).
  • the control voltage U G can be controlled by the central control ⁇ unit 21 or by a local control unit, not shown, such that the Lekstransis- gate operates as a power source, which the local Speicherein ⁇ unit 5-1 to 5-N with defined current discharges into the central SpeI ⁇ cherü. 7
  • the control chip ⁇ voltage U G can also be controlled such that the longitudinal transistor operates in the manner of a linear regulator and adjusts the local storage voltage at the current storage voltage of the central storage unit. 7
  • the control voltages U G of a ⁇ individual series transistors can thereby be identical or individually.
  • the microsystem according to the invention is characterized, inter alia, by its modularity. Depending on the application and the other ⁇ mental conditions different energy sources can be used, hooked up or removed.
  • FIG. 4 schematically shows such a module in the form of a single local energy source 40, which comprises a microgenerator in the form of a solar energy converter or solar module 41 and a downstream interface circuit in the form of a so-called maximum powerpoint tracker (MPP) 42.
  • MPP maximum powerpoint tracker
  • the energy extracted from the solar energy converter 41 is buffered in a local memory unit 43 and can be forwarded from there via a local DC-DC converter 44 to the output of the energy source 40.
  • a steu ⁇ erbares switching element is not provided in this embodiment.
  • the local memory voltage at the local memory unit 43 is monitored by a first comparator 45. If the local memory voltage exceeds a specifiable first maximum value V max i, then the maximum powerpoint tracker can
  • a second comparator 46 monitors the output voltage V ou t of the power source 40. If the output voltage V ou t the power source 40 exceeds a predetermined second maximum value V max 2, the local DC converter 44 is stopped. In this way, an increased reliability can be ensured with simple circuit technology.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)
  • Electroluminescent Light Sources (AREA)

Abstract

The invention relates to an energy self-sufficient microsystem, comprising at least two local energy sources (2-1, 2-2, 2-N, 2- (N+1), 40), at least one of which comprises a microgenerator (3-1, 3-2, 3-N, 41) and an interface circuit (4-1, 4-2, 4-N, 42) for extracting energy from the microgenerator (3-1, 3-2, 3-N, 41), and a central unit (1), which has at least one central storage unit (7) for storing the energy extracted from the microgenerator(s) (3-1, 3-2, 3-N, 41). As a result, increased system reliability is achieved with highly efficient use of the energy. Fields of application can be found, for example, in industrial automation, in automobile technology, or in building automation.

Description

Beschreibung description
Energieautarkes Mikrosystem und Verfahren zu dessen Betrieb Die Erfindung betrifft ein energieautarkes Mikrosystem und ein Verfahren zu dessen Betrieb. Energy self-sufficient microsystem and method for its operation The invention relates to an energy self-sufficient microsystem and a method for its operation.
Energieautarke Sensorsysteme finden heute in vielen Berei¬ chen, wie zum Beispiel der Industrieautomatisierung, der Au- tomobiltechnik (Reifendrucksensorik) und der Hausautomatisierung, eine breite Anwendung. Viele herkömmliche energieautarke Mikrosysteme umfassen dabei einen Mikrogenerator, welcher in der Umgebung latent vorhandene Energie, wie beispielsweise Wärme, Licht oder mechanische Vibrationen, in elektrische Energie umwandelt. Derartige Mikrogeneratoren können aber nur relativ geringe Leistungen bereitstellen, so dass das Bestreben besteht, Leistungen bzw. Energie aus dem Mikrogenerator mit Hilfe einer sogenannten Schnittstellen-Schaltung (Interface-Schaltung) möglichst (energie-) effizient zu extrahieren. Auch die Speicherung sowie der Transport der Energie zu einem Verbraucher sind möglichst effizient auszulegen. In herkömmlichen energieautarken Mikrosystemen wird die notwendige Energieeffizienz dadurch erreicht, dass eine auf die jeweili¬ ge Anwendung zugeschnittene und optimal angepasste Systemar- chitektur aus Mikrogenerator, Schnittstellen-Schaltung, Speichereinheit und Spannungsregler verwendet wird. Derartige Systeme haben jedoch den Nachteil, dass sie nur anwendungs¬ spezifisch einsetzbar sind und nur eine geringe Ausfallsi¬ cherheit aufweisen. Energy-autonomous sensor systems are used today in many preparation ¬ chen, such as industrial automation, the Au tomobiltechnik (tire pressure sensors) and home automation, wide application. Many conventional self-powered microsystems include a microgenerator which converts latent energy, such as heat, light or mechanical vibrations, into electrical energy in the environment. However, such microgenerators can only provide relatively low powers, so that there is a desire to extract power or energy from the microgenerator with the aid of what is known as an interface circuit (interface circuit) as efficiently as possible (energy). The storage and transport of energy to a consumer should be interpreted as efficiently as possible. In conventional self-powered micro systems, the necessary energy efficiency is achieved by providing a tailored to the jeweili ¬ ge application and optimally adapted system architecture of micro-generator, interface circuit, and storage unit voltage regulator is used. However, such systems have the disadvantage that they are only application ¬ specific use and have only a low against failure ¬ safety.
Bekannt sind darüber hinaus auch energieautarke Mikrosysteme, welche sich einer Batterie als Energiequelle bedienen. Die begrenzte Energiespeicherkapazität einer Batterie bedingt je¬ doch einen relativ hohen Wartungsaufwand. Außerdem ist auch bei Einsatz einer Batterie nur eine geringe Ausfallsicherheit gegeben . Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein energieautarkes Mikrosystem und ein Verfahren zu dessen Betrieb anzugeben, welche mit möglichst geringem schaltungstechnischem Aufwand eine universelle Anwendbarkeit für verschiedene Anwendungen bei erhöhter Zuverlässigkeit des Systems gewährleisten. Also known are self-powered micro-systems, which use a battery as an energy source. The limited energy storage capacity of a battery due per ¬ but a relatively high maintenance. In addition, even when using a battery low resiliency is given. The invention has for its object to provide an energy self-sufficient microsystem and a method for its operation, which ensure a universal applicability for different applications with increased reliability of the system with minimal circuit complexity.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein energieautarkes Mikrosys¬ tem, mit mindestens zwei lokalen Energiequellen, von welchen mindestens eine einen Mikrogenerator und eine Schnittstellen- Schaltung zur Extraktion von Energie aus dem Mikrogenerator umfasst, und einer Zentraleinheit, welche mindestens eine zentrale Speichereinheit zum Speichern der aus dem/den Mikro- generator/en extrahierten Energie aufweist. Durch die mehreren, insbesondere verschiedenartigen, Energiequellen, welche sequentiell oder simultan genutzt werden können, kann die Zuverlässigkeit des energieautarken Systems er¬ höht werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine der lokalen Energiequellen als Batterie ausgestaltet. Eine Steuerlo¬ gik kann dann situationsbedingt festlegen, ob die an einen Verbraucher abzugebende Energie aus der zentralen Spei¬ chereinheit oder der Batterie entnommen wird. Durch das Vor- sehen einer zweiten Energiequelle in Form eines Mikrogenera- tors mit nachgeschalteter Schnittstellen-Schaltung kann das Wartungsintervall zur Kontrolle und ggf. dem Austausch der Batterie deutlich erhöht werden. Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung weisen die mindestens zwei lokalen Energiequellen jeweils einen Mikrogenerator und eine Schnittstellen-Schaltung zur Extraktion von Energie aus dem Mikrogenerator auf. Die jeweilige Zuordnung einer Schnittstellen-Schaltung zu den einzelnen Mikrogeneratoren erlaubt eine hocheffiziente Extraktion von Energie aus dem jeweiligen Mikrogenerator, in dem zum Beispiel der Arbeitspunkt des jeweiligen Mikrogenera- tors optimal eingestellt wird. This object is achieved by an energy self- sufficient microsystem, with at least two local energy sources, of which at least one comprises a microgenerator and an interface circuit for extracting energy from the microgenerator, and a central unit, which has at least one central storage unit for storing the has the energy extracted from the micro-generator (s). By several, in particular various energy sources that can be used sequentially or simultaneously, the reliability of the self-powered system can he be ¬ increased. According to one embodiment of the invention, one of the local energy sources is designed as a battery. A Steuerlo ¬ gik can then set depending on the situation whether the dispensed to a consumer of energy is removed from the central SpeI ¬ chereinheit or the battery. By providing a second energy source in the form of a microgenerator with a downstream interface circuit, the maintenance interval for checking and possibly replacing the battery can be significantly increased. According to an alternative embodiment of the invention, the at least two local energy sources each have a microgenerator and an interface circuit for the extraction of energy from the microgenerator. The respective assignment of an interface circuit to the individual microgenerators allows a highly efficient extraction of energy from the respective microgenerator, in For example, the operating point of the respective micro-generator is optimally adjusted.
Die erfindungsgemäße Architektur erlaubt darüber hinaus einen modularen Aufbau, bei welchem je nach Anwendung und Umgebung verschiedene Energiequellen eingesetzt werden können. Trotz mehrerer und vorzugsweise verschiedenartiger Energiequellen kann die zentrale Speichereinheit geladen werden, ohne dass es zu dadurch bedingten Verlusten und Effizienzverringerungen bezüglich der einzelnen Energiequellen kommt. Die Quellen haben auch keinen Einfluss aufeinander, so dass jede unabhängig von der aktuellen Lastsituation und unabhängig von einem aktuellen Spannungspegel der zentralen Speichereinheit in ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden kann. Auch der Aus- fall oder die Hinzunahme einer Energiequelle beeinflusst die übrigen Energiequellen des energieautarken Systems nicht, so dass der Betrieb des Gesamtsystems nicht unterbrochen werden muss . Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Zentraleinheit mindestens einen Spannungsregler, vorzugsweise in Form eines verlustarmen Gleichspannungswandlers (DC/DC- Wandler) aufweist, welcher eine Ausgangsspannung der zentralen Speichereinheit und/oder der Batterie auf eine vorgebbare Soll-Ausgangsspannung regelt. Ein derartiger Spannungsregler ermöglicht die Erzeugung verbraucherspezifischer Ausgangsspannungspegel, wodurch neben der hocheffizienten Extraktion von Energie aus den Mikrogeneratoren auch ein energieeffizienter Transport der Energie zu dem oder den Verbrauchern gewährleistet ist. Sind mehrere Verbraucher an das energieau¬ tarke System angeschlossen, so können dementsprechend auch mehrere Spannungsregler vorgesehen sein. In addition, the architecture according to the invention allows a modular design in which different energy sources can be used, depending on the application and the environment. Despite multiple and preferably dissimilar energy sources, the central storage unit may be charged without resulting in losses and efficiency reductions in the individual energy sources. The sources also have no influence on each other, so that each can be operated independently of the current load situation and regardless of a current voltage level of the central storage unit in its optimal operating point. Also, the failure or addition of an energy source does not affect the other energy sources of the energy self-sufficient system, so that the operation of the entire system does not have to be interrupted. An embodiment of the invention provides that the central unit has at least one voltage regulator, preferably in the form of a low-loss DC-DC converter (DC / DC converter), which regulates an output voltage of the central memory unit and / or the battery to a predetermined target output voltage. Such a voltage regulator allows the generation of consumer-specific output voltage level, which in addition to the high-efficiency extraction of energy from the microgenerators and energy-efficient transport of the energy is guaranteed to the consumer or consumers. If several consumers connected to the energieau ¬ trong system, including multiple voltage regulators can be provided accordingly.
Eine lokale Energiequelle kann neben einem Mikrogenerator und einer Schnittstellen-Schaltung auch eine lokale Speichereinheit umfassen, so dass vor dem Speichern der Energie in der zentralen Speichereinheit eine lokale Zwischenspeicherung möglich ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist mindestens eine der lokalen Energiequellen neben einem Mikroge- nerator und einer Schnittstellen-Schaltung auch einen lokalen Gleichspannungswandler auf, welcher der lokalen Speichereinheit oder der zentralen Speichereinheit vorgeschaltet ist und eine Eingangsspannung des Gleichspannungswandlers in eine ak¬ tuelle Speicherspannung der lokalen Speichereinheit bzw. der zentralen Speichereinheit wandelt. In addition to a microgenerator and an interface circuit, a local energy source may also include a local memory unit, so that local storage may be possible before the energy is stored in the central memory unit. According to a further embodiment of the invention, at least one of the local energy sources in addition to a Mikroge- erator, and a interface circuit and a local DC voltage converter which is connected upstream of the local storage unit or the central memory unit and an input voltage of the DC-DC converter in a ak ¬ Tuelle storage voltage of the local storage unit or the central storage unit converts.
Ist die aktuelle lokale Speicherspannung einer lokalen Speichereinheit größer als die aktuelle zentrale Speicherspannung der zentralen Speichereinheit so kann Energie an den zentra¬ len Speicher ohne zusätzliche Spannungswandlung transportiert werden. Ist die lokale Speicherspannung aber kleiner als die zentrale Speicherspannung so kann die lokale Speicherspannung mit Hilfe eines lokalen Gleichspannungswandlers an eine aktu¬ elle zentrale Speicherspannung angepasst werden. Alternativ dazu kann der Gleichspannungswandler auch einer lokalen Spei- chereinheit vorgeschaltet werden, um die aus dem Mikrogenera- tor extrahierte Energie unmittelbar an die momentane lokale Speicherspannung anzupassen. Bei einer derartigen Architektur ist es auch möglich, den lokalen Gleichspannungswandler in die Schnittstellenschaltung der Energiequelle zu integrieren. If the current local storage voltage of a local storage unit greater than the current central memory voltage of the central storage unit so energy can be transported to the centra ¬ len memory without additional voltage conversion. Is the local memory voltage but smaller than the central memory voltage as the local memory voltage can be adjusted by means of a local DC-DC converter to a refreshes ¬ elle central memory voltage. Alternatively, the DC-DC converter can also be connected upstream of a local storage unit in order to adapt the energy extracted from the micro-generator directly to the instantaneous local storage voltage. In such an architecture, it is also possible to integrate the local DC-DC converter in the interface circuit of the power source.
Um Querkopplungen oder Querströme zwischen einzelnen lokalen Speichereinheiten zu vermeiden, ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die lokalen Energiequellen steuerbare Schaltelemente, z.B. in Form von Sperrschaltern oder Längstransistoren, umfassen, durch welche die jeweiligen Energiequellen mit der Zentraleinheit verbind¬ bar und von dieser trennbar sind. In order to avoid cross-couplings or cross-currents between individual local storage units, it is provided according to a further embodiment of the invention that the local energy sources controllable switching elements, for example in the form of lock switches or series transistors include, through which the respective energy sources with the central unit and bar ¬ bar are separable from this.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist jedem Schalt- element eine lokale Steuereinheit zugeordnet, welche das je¬ weilige Schaltelement derart steuert, dass das Schaltelement nur geschlossen wird, wenn eine aktuelle lokale Speicherspannung an der lokalen Speichereinheit höher ist als eine aktu- eile zentrale Speicherspannung an der zentralen Speichereinheit und wenn kein Schaltelement einer weiteren Energiequelle geschlossen ist. Weist die jeweilige lokale Energiequelle ei¬ nen lokalen Gleichspannungswandler auf, welcher dem Schalt- element unmittelbar vorgeschaltet ist, so kann dieser die notwendige Spannungsanpassung an die aktuelle zentrale Spei¬ cherspannung durchführen, so dass in diesem Fall die Spannungsbedingung nicht eigens überwacht werden muss. Andernfalls kann die Spannungsbedingung auf einfache Weise, z.B. mit Hilfe eines Komparators, überprüft werden. According to one embodiment of the invention, each switching element is assigned to a local control unit which controls the each ¬ stays awhile switching element such that the switch element is closed only when a current local memory voltage to the local storage unit is higher than a aktu- eile central storage voltage at the central storage unit and when no switching element of another power source is closed. Has the respective local power source ei ¬ NEN local DC-DC converter which is element connected upstream of the switching immediately, it can perform the necessary tension adjustment to the current central SpeI ¬ cherspannung, so that the voltage condition does not need to be specifically monitored in this case. Otherwise, the voltage condition can be checked in a simple manner, eg with the aid of a comparator.
Bei Verwendung von Sperrschaltern kann der jeweilige Sperrschalter nach dem Ladungsausgleich, welcher typischer Weise sehr schnell erfolgt, wieder geöffnet werden. When using lock switches, the respective blocking switch can be reopened after charge equalization, which is typically very fast.
Alternativ zu einer dezentralen Steuerung kann auch eine zentrale Steuereinheit vorgesehen sein, welche die Schaltele¬ mente derart steuert, dass jeweils nur ein einziges Schalt¬ element geschlossen ist, wobei die aktuelle lokale Speicher- Spannung an der jeweiligen lokalen Speichereinheit höher sein muss als die aktuelle zentrale Speicherspannung an der zent¬ ralen Speichereinheit. Alternatively, to a decentralized control and a central control unit may be provided which controls the sound Tele ¬ elements such that only a single switching ¬ element is closed, wherein the current local storage must voltage to the respective local storage unit to be higher than the current central storage voltage at the center ¬ eral storage unit.
Sind die Schaltelemente als Sperrschalter ausgestaltet, so kann die zentrale Steuereinheit bei ausreichender lokaler Speicherspannung des jeweiligen Lokalspeichers die Sperrschalter zum Beispiel zyklisch öffnen. Sind anstelle von Sperrschaltern geregelte Längstransistoren vorgesehen, so kann auf ein derartiges zyklisches ( Zeitmultiplex- ) Verfahren verzichtet werden, da die Längstransistoren beispielsweise derart gesteuert werden können, dass sie als Stromquelle ar¬ beiten, welche die lokale Speichereinheit mit definiertem Strom in die zentrale Speichereinheit entlädt. Alternativ dazu können die Längstransistoren auch derart gesteuert werden, dass sie in der Art eines Linearreglers ar¬ beiten und die lokale Speicherspannung auf die aktuelle zent¬ rale Speicherspannung des Zentralspeichers anpassen. Die Steuerspannungen für die einzelnen Längstransistoren können dabei gleich oder auch spezifisch einstellbar sein. If the switching elements are designed as a blocking switch, the central control unit can open the blocking switches cyclically, for example, if the local memory voltage of the respective local memory is sufficient. Are used instead of lock switches controlled series transistors provided such methods can be omitted such cyclic (time division multiple access), since the series transistors can be controlled, for example such that it as a current source ar ¬ BEITEN which the local storage unit with a defined current in the central storage unit discharges. Alternatively, the series pass transistors may also be controlled such that they adapt to the current central ¬ rale storage voltage of the central memory in the form of a linear regulator ar ¬ BEITEN and the local memory voltage. The Control voltages for the individual longitudinal transistors can be the same or specifically adjustable.
Die Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen energieautarken Systems, bei dem Energie aus mindestens zwei Mikrogeneratoren extrahiert wird und in einer zentralen Speichereinheit gespeichert wird. The invention also provides a method for operating an energy self-sufficient system according to the invention in which energy is extracted from at least two microgenerators and stored in a central storage unit.
Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die aus den Mikrogeneratoren extrahierte Energie in lokalen Speichereinheiten zwischengespeichert wird. An embodiment of the method according to the invention provides that the energy extracted from the microgenerators is temporarily stored in local storage units.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus Ausführungsbeispielen, welche im Folgenden anhand der Zeich- nungen erläutert werden. Es zeigen: ein schematisches Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen energieautarken Mikrosystems, ein schematisches Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen energieautarken Mikrosystems, eine schematische Darstellung der zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen energieautarken Mikrosystems mit Schaltelementen in Form von Längstransistoren, und ein schematisches Blockschaltbild einer lokalen Energiequelle . Further features and advantages of the invention will become apparent from exemplary embodiments, which are explained below with reference to the drawings. 1 shows a schematic block diagram of a first embodiment of an energy self-sufficient microsystem according to the invention, a schematic block diagram of a second embodiment of an energy self-sufficient microsystem according to the invention, a schematic representation of the second embodiment of an energy self-sufficient microsystem according to the invention with switching elements in the form of series transistors, and a schematic block diagram of a local energy source.
In den Figuren sind identische oder funktionsgleiche Kompo¬ nenten jeweils mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet In the figures, identical or functionally identical compo nents ¬ are each marked with the same reference numerals
Das in Fig. 1 schematisch dargestellte erfindungsgemäße Mik- rosystem umfasst eine Zentraleinheit 1 und N+l lokale Ener¬ giequellen 2-1 bis 2- (N+l), wobei lediglich die erste, zwei- te, N-te und (N+l)-te Energiequelle dargestellt sind. Die Energiequellen 2-1 bis 2-N umfassen jeweils einen Mikrogene- rator 3-1 bis 3-N zur Erzeugung von elektrischer Energie und eine daran jeweils angeschlossene Schnittstellen-Schaltung 4- 1 bis 4-N zur Extraktion von Energie aus dem Mikrogenerator und zur Energieübertragung an eine jeweils nachgeschaltete lokale Speichereinheit 5-1 bis 5-N. Diese lokalen Spei¬ chereinheiten 5-1 bis 5-N ermöglichen die Zwischenspeicherung der aus den Mikrogeneratoren 3-1 bis 3-N extrahierten Ener- gie. Den lokalen Speichereinheiten 5-1 bis 5-N ist jeweils ein lokaler Gleichspannungswandler 6-1 bis 6-N nachgeschaltet, welcher eine aktuelle lokale Speicherspannung der loka¬ len Speichereinheiten 5-1 bis 5-N an eine aktuelle zentrale Speicherspannung einer zentralen Speichereinheit 7 in der Zentraleinheit 1 anpasst. Die (N+l)-te Energiequelle 2-(N+l) ist als Batterie 8 ausgeführt. Alternativ zu der dargestell¬ ten Ausführungsform kann die Zentraleinheit 1 auch mehrere, vorzugsweise verschiedenartige Energiespeicher-Einheiten auf¬ weisen . The rosystem in Fig. 1 shown schematically Mic invention comprises a central unit 1 and N + l local Ener ¬ giequellen 2-1 to 2- (N + l), where only the first two te, Nth and (N + l) th energy source are shown. The energy sources 2-1 to 2-N each comprise a microgenerator 3-1 to 3-N for generating electrical energy and an interface circuit 4-1 to 4-N connected thereto for the extraction of energy from the microgenerator and for transmitting energy to a respectively downstream local memory unit 5-1 to 5-N. These local SpeI ¬ chereinheiten 5-1 to 5-N enable caching of the micro-generators 3-1 to 3-N extracted energy strategy. The local storage units 5-1 to 5-N respectively 6-1 to 6-N connected downstream of which a current local storage voltage of the Loka ¬ len storage units 5-1 to 5-N to an actual central storage voltage of a central storage unit 7, a local DC-DC converter in the central unit 1 adapts. The (N + 1) th power source 2- (N + 1) is implemented as a battery 8. Alternatively to the dargestell ¬ th embodiment, the central unit 1 can also have several, preferably different types of energy storage units on ¬.
Die Mikrogeneratoren 3-1 bis 3-N sind beispielsweise als So- lar-Energiewandler, Vibrationswandler, thermo-elektrische Wandler oder Durchfluss-Energiewandler ausgestaltet und wandeln in der Umgebung latent vorhandene Energie, wie bei- spielsweise Licht, Wärme, mechanische Vibrationen bzw. Strö¬ mungen in elektrische Energie umwandelt. Vorzugsweise weist ein erfindungsgemäßes Mikrosystem Mikrogeneratoren auf, welche auf unterschiedlichen Wirkprinzipien basieren. Die lokalen Speichereinheiten 5-1 bis 5-N sind lediglich optional und für die Anwendbarkeit der Erfindung nicht unbe¬ dingt erforderlich. Ebenso kann auf die lokalen Gleichspannungswandler 6-1 bis 6-N verzichtet werden, wenn die Ausgangsspannungen der Schnittstellen-Schaltungen 4-1 bis 4-N oder der lokalen Speichereinheiten 5-1 bis 5-N ohnehin an die Spannung der zentralen Speichereinheit 7 angepasst sind. The microgenerators 3-1 to 3-N are designed, for example, as solar energy converters, vibration transducers, thermoelectric converters or flow energy converters and convert latent energy present in the environment, such as, for example, light, heat, mechanical vibrations or Strö ¬ provisions into electrical energy. Preferably, a microsystem according to the invention has microgenerators based on different principles of action. The local storage units 5-1 to 5-N are merely optional, and for the applicability of the invention not without ¬ dingt required. Likewise, the local DC-DC converter 6-1 to 6-N can be dispensed with if the output voltages of the interface circuits 4-1 to 4-N or of the local memory units 5-1 to 5-N are adapted to the voltage of the central memory unit 7 in any case are.
Ebenso ist es denkbar, dass nur einige der Energiequellen 2-1 bis 2-N eine lokale Speichereinheit und/oder einen lokalen Gleichspannungswandler aufweisen . It is also conceivable that only some of the energy sources 2-1 to 2-N have a local memory unit and / or a local DC-DC converter.
In der Zentraleinheit 2 sind neben der zentralen Speicherein- heit 7 auch M der zentralen Speichereinheit 7 nachgeschaltete Spannungsregler 9-1 bis 9-M vorgesehen, welche eine Ausgangspannung der zentralen Speichereinheit 7 oder eine Ausgangs¬ spannung der Batterie 8 auf vorgebbare, an Verbrauchern 10-1 bis 10-M jeweils benötigte Soll-Ausgangsspannungen anpasst. Zur Vereinfachung der Darstellung sind lediglich die ersten beiden sowie der M-te Verbraucher dargestellt. Eine Steuerlo¬ gik 11 legt situationsbedingt, z.B. in Abhängigkeit vom je¬ weiligen Ladezustand der Batterie 8 und der zentralen Spei¬ chereinheit 7, fest, ob die an die Verbraucher 10-1 bis 10-M abzugebende Energie aus der zentralen Speichereinheit 7 oder der Batterie 8 entnommen wird. Auf die Steuerlogik 11 kann selbstverständlich verzichtet werden, wenn keine der lokalen Energiequellen als Batterie ausgestaltet ist. Eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mikro- systems ist in Fig. 2 schematisch dargestellt. Diese Ausfüh¬ rungsform unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass zum einen keine als Batterie ausgestaltete Energiequelle vorgesehen ist. Zum anderen um- fassen die Energiequellen 1-1 bis 1-N jeweils ein steuerbares Schaltelement 20-1 bis 20-N, welches jeweils zwischen die lo¬ kalen Speichereinheit 5-1 bis 5-N und die zentrale Spei¬ chereinheit 7 geschaltet sind. Diese Schaltelemente 20-1 bis 20-N können zum Beispiel als Sperrschalter oder Längstransis- toren ausgeführt sein und dienen dazu, die jeweiligen Energiequellen 2-1 bis 2-N mit der Zentraleinheit zu verbinden oder von dieser zu trennen. Auf diese Weise können Querkopplungen oder Querströmen zwischen den einzelnen lokalen Speichereinheiten 5-1 bis 5-N vermieden werden. Darüber hinaus sind im Gegensatz zur ersten Ausführungsform gemäß Figur 1 die lokalen Gleichspannungswandler 6-1 bis 6-N den lokalen Speichereinheiten 5-1 bis 5-N nicht nach-, sondern vorgeschaltet. Sie dienen damit nicht mehr der Spannungsanpassung der Ausgangsspannung der lokalen Speichereinheiten 5-1 bis 5- N an die aktuelle zentrale Speicherspannung der zentralen Speichereinheit 7, sondern der Spannungsanpassung der Ausgangsspannungen der Schnittstellen-Schaltungen 4-1 bis 4-N an die aktuellen lokalen Speicherspannungen der lokalen Speichereinheiten 5-1 bis 5-N. Je nach Anordnung der lokalen Gleichspannungswandler 6-1 bis 6-N wird somit eine Eingangs¬ spannung des Gleichspannungswandlers in die aktuelle lokale Speicherspannung der jeweiligen lokalen Speichereinheit 5-1 bis 5-N oder in die aktuelle zentrale Speicherspannung der zentralen Speichereinheit 7 gewandelt. In the central unit 2, in addition to the central storage unit 7, also M of the central storage unit 7 downstream voltage regulators 9-1 to 9-M are provided which an output voltage of the central memory unit 7 or an output ¬ voltage of the battery 8 to predetermined, to consumers 10th -1 to 10-M respectively adapts required nominal output voltages. To simplify the illustration, only the first two and the Mth consumers are shown. A Steuerlo ¬ gik 11 sets depending on the situation, for example depending on each ¬ weiligen state of charge of the battery 8 and the central SpeI ¬ chereinheit 7, whether the to 10-M to be delivered to the consumer 10-1 energy from the central storage unit 7 or the Battery 8 is removed. Of course, the control logic 11 can be dispensed with if none of the local energy sources is designed as a battery. A further embodiment of a microsystem according to the invention is shown schematically in FIG. This exporting ¬ approximate shape differs from that shown in Fig. 1 embodiment in that on the one hand no battery configured as an energy source is provided. On the other environmentally 1-1 summarize the sources of energy to 1-N in each case a controllable switching element 20-1 to 20-N, which are respectively connected between the lo ¬ kalen storage unit 5-1 to 5-N and the central SpeI ¬ chereinheit 7 , These switching elements 20-1 to 20-N can be embodied, for example, as blocking switches or series transistors and serve to connect or disconnect the respective energy sources 2-1 to 2-N from the central unit. In this way, cross-couplings or cross-currents between the individual local storage units 5-1 to 5-N can be avoided. Moreover, in contrast to the first embodiment according to FIG. 1, the local DC-DC converters 6-1 to 6-N are not connected downstream of the local memory units 5-1 to 5-N. They are thus no longer used for voltage adjustment the output voltage of the local memory units 5-1 to 5- N to the current central memory voltage of the central memory unit 7, but the voltage adjustment of the output voltages of the interface circuits 4-1 to 4-N to the current local memory voltages of the local memory units 5-1 to 5-N. Depending on the arrangement of the local DC-DC converter 6-1 to 6-N thus an input ¬ voltage of the DC-DC converter in the current local memory voltage of the respective local memory unit 5-1 to 5-N or in the current central memory voltage of the central memory unit 7 is converted.
In der Zentraleinheit 1 ist eine zentrale Steuereinheit 21 zur Steuerung der Schaltelemente 20-1 bis 20-N vorgesehen. Sind die Schaltelemente 20-1 bis 20-N als Sperrschalter aus¬ gestaltet, so können die Sperrschalter bei ausreichender Speicherspannung an der jeweiligen lokalen Speichereinheit z.B. zyklisch durch die zentrale Steuereinheit 21 geschlossen werden. Das zyklische Schließen der Sperrschalter stellt sicher, dass stets nur ein einziger Sperrschalter geschlossen ist und somit Querströme zwischen den einzelnen lokalen Speichereinheiten 5-1 bis 5-N sicher vermieden werden. Diese Bedingung kann aber durch die zentrale Steuereinheit 21 selbst¬ verständlich auch auf andere Weise als durch zyklisches In the central unit 1, a central control unit 21 for controlling the switching elements 20-1 to 20-N is provided. If the switching elements 20-1 to 20-N are designed as blocking switches , the blocking switches can be closed cyclically by the central control unit 21, for example, given sufficient memory voltage at the respective local memory unit. The cyclic closing of the blocking switch ensures that only a single blocking switch is always closed and thus cross-currents between the individual local storage units 5-1 to 5-N are reliably avoided. However, this condition can be obtained by the central control unit 21 itself ¬ course also in other ways than by cyclically
Schließen der Sperrschalter sichergestellt werden. Close the lock switch be ensured.
Alternativ zu einer in Figur 2 dargestellten zentralen Steuereinheit 21 kann auch jedem Schaltelement 20-1 bis 20-N eine nicht dargestellte lokale Steuereinheit zugeordnet sein. Sind die Schaltelemente 20-1 bis 20-N als Sperrschalter ausgestal¬ tet, so muss das jeweilige Schaltelement 20-1 bis 20-N derart gesteuert werden, dass das Schaltelement nur geschlossen wird, wenn die aktuelle lokale Speicherspannung an der loka¬ len Speichereinheit 5-1 bis 5-N höher ist als die aktuelle Speichespannung an der zentralen Speichereinheit 7. Außerdem ist auch bei dezentraler Steuerung sicherzustellen, dass kein Schaltelement 20-1 bis 20-N einer weiteren Energiequelle 2-1 bis 2-N geschlossen ist. Nach dem Ladungsausgleich, welcher typischer Weise sehr schnell erfolgt, kann der jeweilige Sperrschalter wieder geöffnet werden. As an alternative to a central control unit 21 shown in FIG. 2, each switching element 20-1 to 20-N may also be assigned a local control unit (not shown). The switching elements 20-1 to 20-N as the barrier switch ausgestal ¬ tet, the respective switching element must be 20-1 controlled to 20-N so that the switching element is closed only when the current local memory voltage at the Loka ¬ len storage unit 5-1 to 5-N is higher than the current storage voltage at the central storage unit 7. In addition, even with decentralized control, it is to be ensured that no switching element 20-1 to 20-N of another energy source 2-1 to 2-N is closed. After the charge balance, which typically very fast, the respective lock switch can be opened again.
Anstelle von Sperrschaltern können auch Längstransistoren als steuerbare Schaltelemente 20-1 bis 20-N eingesetzt werden.Instead of blocking switches, it is also possible to use series transistors as controllable switching elements 20-1 to 20-N.
Damit kann auf ein zyklisches ( Zeitmultiplex- ) Verfahren ver¬ zichtet werden. Ein Längstransistor darf allerdings auch nur dann schließen, d.h. durchschalten, wenn die lokale Speicherspannung der jeweils zugeordneten lokalen Speichereinheit 5-1 bis 5-N größer ist als die aktuelle zentrale Speicherspannung der zentralen Speichereinheit 7. Dies kann z.B. mit Hilfe ei¬ nes Komparators 30 realisiert werden (vgl. Figur 3) . Zur Ver¬ einfachung der Darstellung sind in Figur 3 die Schnittstellen-Schaltungen und ggf. die lokalen Speichereinheiten und lokalen Gleichspannungswandler jeweils in einem Block 31-1 bis 31-N zusammengefasst . Außerdem ist der Komparator 30 le¬ diglich für das Schaltelement 20-1 der ersten Energiequelle 1-1 dargestellt. Ebenfalls aus Gründen der zeichentechnischen Vereinfachung ist von der Zentraleinheit 7 lediglich die zentrale Steuereinheit 21 dargestellt. This can be dispensed ver ¬ on a cyclic (time division multiplex) method. However, a longitudinal transistor may also only then close, that is, by turn, if the local memory voltage of the respectively associated local storage unit 5-1 to 5-N is greater than the current central memory voltage of the central storage unit 7. This can, for example, with the help of egg ¬ nes comparator 30 be realized (see Figure 3). For Ver ¬ simplification of illustration, in Figure 3, the interface circuits and possibly summarized local storage units and local DC-DC converter in each case in a block 31-1 to 31-N. In addition, the comparator 30 le ¬ diglich for the switching element 20-1 of the first power source 1-1 is shown. Also for the sake of simplifying the drawing, only the central control unit 21 is shown by the central unit 7.
Die Steuerspannung UG kann dabei durch die zentrale Steuer¬ einheit 21 oder auch durch eine nicht dargestellte lokale Steuereinheit derart geregelt werden, dass der Längstransis- tor als Stromquelle arbeitet, welche die lokale Speicherein¬ heit 5-1 bis 5-N mit definiertem Strom in die zentrale Spei¬ chereinheit 7 entlädt. Alternativ dazu kann die Steuerspan¬ nung UG auch derart geregelt werden, dass der Längstransistor in der Art eines Linearreglers arbeitet und die lokale Spei- cherspannung an die aktuelle Speicherspannung der zentralen Speichereinheit 7 anpasst. Die Steuerspannungen UG der ein¬ zelnen Längstransistoren können dabei gleich oder auch individuell einstellbar sein. Das erfindungsgemäße Mikrosystem zeichnet sich unter anderem durch seine Modularität aus. Je nach Anwendungsfall und Umge¬ bungsbedingungen können verschiedene Energiequellen eingesetzt, hinzugeschaltet oder auch entfernt werden. Fig. 4 zeigt schematisch ein solches Modul in Form einer einzelnen lokalen Energiequelle 40, welche einen Mikrogenerator in Form eines Solar-Energiewandlers oder Solarmoduls 41 sowie eine nachgeschaltete Schnittstellen-Schaltung in Form eines sogenannten Maximum Powerpoint-Trackers (MPP) 42 umfasst. Die aus dem Solar-Energiewandler 41 extrahierte Energie wird in einer lokalen Speichereinheit 43 zwischengespeichert und kann von dort über einen lokalen Gleichspannungswandler 44 an den Ausgang der Energiequelle 40 weitergeleitet werden. Ein steu¬ erbares Schaltelement ist bei dieser Ausführungsform nicht vorgesehen. Die lokale Speicherspannung an der lokalen Speichereinheit 43 wird von einem ersten Komparator 45 überwacht. Übersteigt die lokale Speicherspannung einen vorgebbaren ers- ten Maximalwert Vmaxi so kann der Maximum Powerpoint-TrackerThe control voltage U G can be controlled by the central control ¬ unit 21 or by a local control unit, not shown, such that the Längstransis- gate operates as a power source, which the local Speicherein ¬ unit 5-1 to 5-N with defined current discharges into the central SpeI ¬ chereinheit. 7 Alternatively, the control chip ¬ voltage U G can also be controlled such that the longitudinal transistor operates in the manner of a linear regulator and adjusts the local storage voltage at the current storage voltage of the central storage unit. 7 The control voltages U G of a ¬ individual series transistors can thereby be identical or individually. The microsystem according to the invention is characterized, inter alia, by its modularity. Depending on the application and the other ¬ mental conditions different energy sources can be used, hooked up or removed. 4 schematically shows such a module in the form of a single local energy source 40, which comprises a microgenerator in the form of a solar energy converter or solar module 41 and a downstream interface circuit in the form of a so-called maximum powerpoint tracker (MPP) 42. The energy extracted from the solar energy converter 41 is buffered in a local memory unit 43 and can be forwarded from there via a local DC-DC converter 44 to the output of the energy source 40. A steu ¬ erbares switching element is not provided in this embodiment. The local memory voltage at the local memory unit 43 is monitored by a first comparator 45. If the local memory voltage exceeds a specifiable first maximum value V max i, then the maximum powerpoint tracker can
42 angehalten werden. Ein zweiter Komparator 46 überwacht die Ausgangsspannung Vout der Energiequelle 40. Übersteigt die Ausgangsspannung Vout der Energiequelle 40 einen vorgebbaren zweiten Maximalwert Vmax2, so wird der lokale Gleichspannungs- wandler 44 gestoppt. Auf diese Weise kann mit einfachen schaltungstechnischen Mitteln auch eine erhöhte Betriebssicherheit gewährleistet werden. 42 are stopped. A second comparator 46 monitors the output voltage V ou t of the power source 40. If the output voltage V ou t the power source 40 exceeds a predetermined second maximum value V max 2, the local DC converter 44 is stopped. In this way, an increased reliability can be ensured with simple circuit technology.

Claims

Patentansprüche claims
1. Energieautarkes Mikrosystem mit 1. Energy self-sufficient microsystem with
- mindestens zwei lokalen Energiequellen (2-1, 2-2, 2-N, 2- (N+l), 40), von welchen mindestens eine einen Mikrogenera- tor (3-1, 3-2, 3-N, 41) und eine Schnittstellen-Schaltung (4-1, 4-2, 4-N, 42) zur Extraktion von Energie aus dem Mikrogenerator (3-1, 3-2, 3-N, 41) umfasst, und  at least two local energy sources (2-1, 2-2, 2-N, 2- (N + 1), 40), of which at least one is a microgenerator (3-1, 3-2, 3-N, 41) and an interface circuit (4-1, 4-2, 4-N, 42) for extracting energy from the microgenerator (3-1, 3-2, 3-N, 41), and
- einer Zentraleinheit (1), welche mindestens eine zentrale Speichereinheit (7) zum Speichern der aus dem/den Mikroge- nerator/en (3-1, 3-2, 3-N, 41) extrahierten Energie aufweist.  - A central unit (1), which has at least one central memory unit (7) for storing the energy extracted from the / the Mikroge- nerator / s (3-1, 3-2, 3-N, 41).
2. Mikrosystem nach Anspruch 1, 2. Microsystem according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass eine der lokalen Energiequellen (2- (N+l)) als Batterie (8) ausgestaltet ist. characterized in that one of the local energy sources (2- (N + 1)) is designed as a battery (8).
3. Mikrosystem nach Anspruch 1, 3. microsystem according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei lokalen Energiequellen (2-1, 2-2, 2-N, 40) jeweils einen Mikrogenerator (3-1, 3-2, 3-N, 41) und eine Schnittstellen-Schaltung (4- 1, 4-2, 4-N, 42) zur Extraktion von Energie aus dem Mikrogenerator (3-1, 3-2, 3-N, 41) umfassen. characterized in that the at least two local energy sources (2-1, 2-2, 2-N, 40) each have a microgenerator (3-1, 3-2, 3-N, 41) and an interface circuit (4-1). 1, 4-2, 4-N, 42) for extracting energy from the microgenerator (3-1, 3-2, 3-N, 41).
4. Mikrosystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 4. Microsystem according to one of claims 1 to 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Zentraleinheit (1) mindes¬ tens einen Spannungsregler (9-1, 9-2, 9-M) , insbesondere ei¬ nen Gleichspannungswandler, aufweist, welcher eine Ausgangsspannung der zentralen Speichereinheit (7) und/oder der Bat- terie (8) auf eine vorgebbare Soll-Ausgangsspannung regelt. characterized in that the central unit (1) Min ¬ least a voltage regulator (9-1, 9-2, 9-M), in particular egg ¬ NEN DC-DC converter, comprising that an output voltage of the central storage unit (7) and / or the Bat - terie (8) controls to a predetermined target output voltage.
5. Mikrosystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 5. Microsystem according to one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der/die Mikrogenerator/en (3-1, 3-2, 3-N, 41) als Solar-Energiewandler und/oder Vibrations- wandler und/oder thermo-elektrisch/r Wandler und/oder Durch- fluss-Energiewandler ausgestaltet ist/sind. characterized in that the microgenerator (s) (3-1, 3-2, 3-N, 41) are solar energy converters and / or vibration transducers and / or thermoelectric converters and / or flow transducers -Energiewandler is configured / are.
6. Mikrosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der lokalen Energiequellen (2-1, 2-2, 2-N, 2-(N+l), 40) zusätzlich zu einem Mikrogenerator (3-1, 3-2, 3-N, 41) und einer Schnittstellen-Schaltung (4-1, 4-2, 4-N, 42) eine lokale Speichereinheit (5-1, 5-2, 5-N, 43) zur Zwischenspeicherung der aus dem Mikrogenerator (3-1, 3-2, 3-N, 41) extrahierten Energie umfasst. 6. Microsystem according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the local energy sources (2-1, 2-2, 2-N, 2- (N + 1), 40) is in addition to a microgenerator (3-1, 3-2, 3-N, 41 ) and an interface circuit (4-1, 4-2, 4-N, 42) a local memory unit (5-1, 5-2, 5-N, 43) for temporarily storing the from the microgenerator (3-1, 3-2, 3-N, 41).
7. Mikrosystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der lokalen Energiequellen (2-1, 2-2, 2-N, 2-(N+l), 40) zusätzlich zu einem Mikrogenerator (3-1, 3-2, 3-N, 41) und einer Schnittstellen-Schaltung (4-1, 4-2, 4-N, 42) einen lokalen Gleichspannungswandler (6-1, 6-2, 6-N, 44) aufweist, welcher der lokalen Speichereinheit (5-1, 5-2, 5-N, 43) oder der zentralen Speichereinheit (7) vorgeschaltet ist und eine Eingangsspan¬ nung des lokalen Gleichspannungswandlers (6-1, 6-2, 6-N, 44) in eine aktuelle Speicherspannung der lokalen Speichereinheit (5-1, 5-2, 5-N, 43) bzw. der zentralen Speichereinheit (7) wandelt . 7. Microsystem according to one of the preceding claims, characterized in that at least one of the local energy sources (2-1, 2-2, 2-N, 2- (N + 1), 40) in addition to a microgenerator (3-1, 3-2, 3-N, 41) and an interface circuit (4-1, 4-2, 4-N, 42) has a local DC-DC converter (6-1, 6-2, 6-N, 44), which is upstream of the local storage unit (5-1, 5-2, 5-N, 43) or the central storage unit (7) and an input voltage of the local clamping ¬ DC-DC converter (6-1, 6-2, 6-N, 44 ) converts into an actual memory voltage of the local memory unit (5-1, 5-2, 5-N, 43) or the central memory unit (7).
8. Mikrosystem nach Anspruch 7, 8. microsystem according to claim 7,
dadurch gekennzeichnet, dass der lokale Gleichspannungswand¬ ler (6-1, 6-2, 6-N, 44) in die Schnittstellenschaltung (4-1, 4-2, 4-N, 42) der lokalen Energiequelle (2-1, 2-2, 2-N, 2- (N+l), 40) integriert ist. characterized in that the local DC-DC converter ¬ ler (6-1, 6-2, 6-N, 44) in the interface circuit (4-1, 4-2, 4-N, 42) of the local energy source (2-1, 2-2, 2-N, 2- (N + 1), 40).
9. Mikrosystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, 9. Microsystem according to one of claims 6 to 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die lokalen Energiequellen (2-1, 2-2, 2-N) steuerbare Schaltelemente (20-1, 20-2, 20-N) umfas- sen, durch welche die jeweiligen Energiequellen (2-1, 2-2, 2- N) mit der Zentraleinheit (1) verbindbar und von dieser trennbar sind. characterized in that the local energy sources (2-1, 2-2, 2-N) comprise controllable switching elements (20-1, 20-2, 20-N) through which the respective energy sources (2-1, 2 -2, 2-N) are connectable to and separable from the central unit (1).
10. Mikrosystem nach Anspruch 9, 10. microsystem according to claim 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltelemente (20-1, 20-2, 20-N) als Sperrschalter oder Längstransistoren ausgebildet sind . characterized in that the switching elements (20-1, 20-2, 20-N) are designed as a blocking switch or series transistors.
11. Mikrosystem nach einem der Ansprüche 9 oder 10, 11. Microsystem according to one of claims 9 or 10,
dadurch gekennzeichnet, dass jedem Schaltelement (20-1, 20-2, 20-N) eine lokale Steuereinheit zugeordnet ist, welche das jeweilige Schaltelement (20-1, 20-2, 20-N) derart steuert, dass das Schaltelement (20-1, 20-2, 20-N) nur geschlossen wird, wenn die aktuelle lokale Speicherspannung an der loka¬ len Speichereinheit (5-1, 5-2, 5-N) höher ist als die aktuel¬ le Speichespannung an der zentralen Speichereinheit (7) und wenn kein Schaltelement (20-1, 20-2, 20-N) einer weiteren (2- 1, 2-2, 2-N) Energiequelle geschlossen ist. characterized in that each switching element (20-1, 20-2, 20-N) is associated with a local control unit which controls the respective switching element (20-1, 20-2, 20-N) such that the switching element (20 -1, 20-2, 20-N) is closed only when the current local memory voltage at the loka ¬ len memory unit (5-1, 5-2, 5-N) is higher than the aktuel ¬ le memory voltage at the central Storage unit (7) and when no switching element (20-1, 20-2, 20-N) of another (2- 1, 2-2, 2-N) power source is closed.
12. Mikrosystem nach einem der Ansprüche 9 oder 10, 12. Microsystem according to one of claims 9 or 10,
dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Steuereinheit (21) vorgesehen ist, welche die Schaltelemente (20-1, 20-2, 20-N) derart steuert, dass jeweils nur ein einziges Schaltelementcharacterized in that a central control unit (21) is provided, which controls the switching elements (20-1, 20-2, 20-N) such that in each case only a single switching element
(20-1, 20-2, 20-N) geschlossen ist, wobei die aktuelle lokale Speicherspannung an der jeweiligen lokalen Speichereinheit (5-1, 5-2, 5-N) höher sein muss als die aktuelle zentrale Speicherspannung an der zentralen Speichereinheit (7). (20-1, 20-2, 20-N) is closed, wherein the current local memory voltage at the respective local memory unit (5-1, 5-2, 5-N) must be higher than the current central memory voltage at the central Storage unit (7).
13. Mikrosystem nach einem Ansprüche 10 bis 12, 13. microsystem according to one of claims 10 to 12,
dadurch gekennzeichnet, dass die Längstransistoren derart ge¬ steuert werden, dass sie als Stromquellen oder als Linearreg¬ ler arbeiten. characterized in that the series transistors are so ge ¬ controlled such that they operate as current sources or as LinearReg ¬ ler.
14. Verfahren zum Betrieb eines energieautarken Systems, insbesondere Mikrosystems, gemäß einem der Ansprüche 3 bis 13, bei dem Energie aus mindestens zwei Mikrogeneratoren (3-1, 3- 2, 3-N, 41) extrahiert wird und in einer zentralen Spei- chereinheit (7) gespeichert wird. 14. Method for operating an energy self-sufficient system, in particular a microsystem, according to one of claims 3 to 13, in which energy is extracted from at least two microgenerators (3-1, 3- 2, 3-N, 41) and stored in a central storage storage unit (7) is stored.
15. verfahren nach Anspruch 14, 15. A method according to claim 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die aus den Mikrogeneratoren (3- 1, 3-2, 3-N, 41) extrahierte Energie in lokalen Speicherein- heiten (5-1, 5-2, 5-N, 43) zwischengespeichert wird. characterized in that the energy extracted from the microgenerators (3-1, 3-2, 3-N, 41) is temporarily stored in local storage units (5-1, 5-2, 5-N, 43).
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